اطلاعات کلی برقگیر

در پست‌های فشارقوی، ایزولاسیون یا عایق‌بندی نقش حیاتی در حفظ عملکرد ایمن و پایدار تجهیزات الکتریکی دارد. ایزولاسیون به‌طور کلی به دو دسته تقسیم می‌شود: ایزولاسیون داخلی و ایزولاسیون خارجی.

1. ایزولاسیون داخلی (Internal Insulation)

ایزولاسیون داخلی به بخشی از عایق‌بندی اطلاق می‌شود که درون تجهیزات الکتریکی قرار دارد؛ مانند عایق‌های داخلی ترانسفورماتورها، دژنکتورها، یا برقگیرها. این نوع ایزولاسیون معمولاً در برابر تنش‌های الکتریکی ناشی از اضافه‌ولتاژهای داخلی، مانند کلیدزنی یا نوسانات بار، طراحی می‌شود.

مواد مورد استفاده شامل روغن عایق، SF₆، رزین اپوکسی، یا مواد جامد دیگر است. پایداری ایزولاسیون داخلی مستقیماً با کیفیت ساخت، طراحی حرارتی، و شرایط بهره‌برداری مرتبط است.

2. ایزولاسیون خارجی (External Insulation)

ایزولاسیون خارجی به بخش‌هایی از تجهیزات گفته می‌شود که در معرض شرایط محیطی قرار دارند، مانند بوشینگ‌ها، مقره‌ها و سطوح خارجی برقگیرها یا کلیدها. این نوع ایزولاسیون باید در برابر تنش‌های الکتریکی ناشی از اضافه‌ولتاژهای خارجی، به‌ویژه صاعقه، و نیز شرایط محیطی مانند آلودگی، رطوبت، باران، یخ‌زدگی و گردوغبار مقاوم باشد.

طراحی ایزولاسیون خارجی معمولاً بر اساس فاصله خزشی (Creepage Distance) و الزامات استانداردهای مربوطه مانند IEC 60071 یا IEC 60815 انجام می‌شود.

در ایزولاسیون داخلی هیچ گونه قوسی قابل قبول نیست. زیرا اگر ایرادی در ایزولاسیون داخلی بوجود آید، تا رفع مشکل مربوطه تجهیز مورد نشر مجددا قابل بهره برداری نیست. اما در ایزولاسیون خارجی اینطور نیست و در حدود چند دهم ثانیه پس از بروز خطا، تجهیز مجددا قابل بهره برداریست.

اضافه ولتاژهای شبکه را میتوان طبق چارت زیر دسته بندی کرد.

اضافه ولتاژهای فرکانس پایین

اضافه ولتاژهای دائمی- Continuous Overvoltage:

در فرکانس شبکه ایجاد می شوند.
می تواند به دلیل اثر فرانتی ایجاد شود.
اثر فرانتی Ferranti -: اثری که در آن ولتاژ در انتهای گیرنده خط انتقال بیشتر از ولتاژ ارسال باشد، به عنوان اثر فرانتی شناخته می‌شود.
ین نوع اثر عمدتاً به دلیل بار سبک یا مدار باز در انتهای خطوط رخ می‌دهد.

اضافه ولتاژهای موقت- Temporary Overvoltage:

می توانند تا 1 ساعت باقی بمانند. بر همین اساس به دو دسته ی اضافه ولتاژهای دراز مدت (بیش از 1 دقیقه) و اضافه ولتاژهای کوتاه مدت(کمتر از 1 دقیقه) تقسیم می‌شوند.
اضافه ولتاژهای موقت دراز مدت - بیشتر از 1 دقیقه - معمولا به علت تغییرات توان اکتیو و راکتیو در شبکه اتفاق می‌افتد.
اضافه ولتاژهای موقت کوتاه مدت – کمتر از 1 دقیقه – معمولا به علت خطای زمین (earth fault) است. وقتی در شبکه اتصال کوتاه فاز به زمین به وجود می‌آید، ولتاژ فازهای سالم به زمین می‌توانند افزایش پیدا کنند که همین موضوع موجب ایجاد اضافه ولتاژهای موقت کوتاه مدت است.

اضافه ولتاژهای فرکانس بالا

اضافه ولتاژهای موجی- Transient Overvoltage:

بسیار کوتاه مدت هستند (در حدود میکرو ثانیه)
بر اساس شکل موج و زمان پیشانی موج (front time) به سه دسته تقسیم می‌شوند:

Slow-front می‌تواند به علت سوییچینگ یا کلیدزنی در شبکه ایجاد شود. با موجی به مشخصه µsec 2500/250 شبیه سازی می‌شود.
fast-front پدیده تخلیه جوی (صاعقه) میتواند باعث ایجاد این نوع موج باشد. با موجی به مشخصه µsec 50/1 شبیه سازی می‌شود.
very-fast-front علت اصلی ایجاد این اضافه ولتاژها کلیدزنی در پست‌های GIS است. اضافه ولتاژهای گذرای بسیار سریع فرکانس‌های بالایی دارند و زمان پیشانی درحد ns است و زود دمپ می‌شوند. این اضافه ولتاژها خطرناک نیستند و باعث شکست عایقی نمی‌شوند. آسیب ناشی از این اضافه ولتاژها میتواند به رله یا تجهیزات مترینگ که هادی فشار ضعیف به آنها وارد شده، وارد شود و این تجهیزات را بسوزاند.

استانداردهای مربوط به تست اضافه ولتاژهای Transient (صاعقه و کلیدزنی) : استاندارد IEC61000-4-5

صاعقه و رعد و برق:

بدترین اضافه ولتاژها، اضافه ولتاژهای ناشی از صاعقه و رعد و برق است. این اضافه ولتاژها در مدت زمان کوتاهی با دامنه بسیار زیاد به سیستم اعمال می‌شود. در نتیجه باید در طراحی حفاظت تجهیزات، مورد توجه ویژه قرار گیرند. روش‌های مورد استفاده جهت حفاظت در مقابل این اضافه ولتاژها عبارتند از:

1. استفاده از سیم‌های زمین
2. استفاده از شاخک‌هایی با فاصله هوایی بین دو سر تجهیزات (برقگیر میله‌ای)
3. استفاده از برقگیرهای اکسید فلزی
4. زمین کردن نقطه صفر به طور مستقیم یا از طریق سیم پیچ پیترسون
5. جذب کننده ضذبه یا خازن

مقایسه اضافه ولتاژهای موقت و گذرا

تفاوت شکل موج اضافه ‌ولتاژهای گذرا (Transient Overvoltages) و اضافه‌ولتاژهای موقتی (Temporary Overvoltages – TOV) یکی از اصول کلیدی در طراحی و انتخاب برقگیرهاست. برای درک بهتر، این دو نوع اضافه‌ ولتاژ را از چند زاویه مقایسه می‌کنیم:
همانطور که پیشتر گفته شد، اضافه ولتاژهای موقت با فرکانس شبکه و به صورت پایدارتر و آهسته تر صورت می‌گیرند و اضافه ولتاژهای گذرا به صورت موجی بوده و ناگهانی و سریع اتفاق می‌افتند. از علل اصلی اضافه ولتاژهای موقتی می‌توان به زمین شدن نامتقارن، نوسان بار و خطای تک فاز به زمین اشاره کرد. در مورد اضافه ولتاژهای گذرا می‌توان از پدیده تخلیه الکتریکی (صاعقه) و کلیدزنی نام برد. دامنه اضافه ولتاژهای موقتی در حدود 1.4 تا 2 برابر Ur هستند، اما اضافه ولتاژهای گذرا دارای دامنه بسیار زیادی هستند که می‌توانند تا چند برابر Ur هم برسند. مدت زمان وقوع اضافه ولتاژهای موقتی در حدود ثانیه (sec) هستند. اما اضافه ولتاژهای گذرا بسیار کوتاه‌تر و در حدود میلی ثانیه و میکرو ثانیه ( msec و µsec) هستند. فرکانس مولفه اصلی موج اضافه ولتاژهای موقتی پایین بوده و در حدود فرکانس شبکه هستند (50 Hz). اضافه ولتاژهای گذرا دارای فرکانس مولفه اصلی بسیار بالاتر در حدود کیلو هرتز تا مگا هرتز (از KHz تا MHz) هستند. شکل موج استاندارد شده در اضافه ولتاژهای موقتی به صورت موج سینوسی 50/60 Hz با دامنه زیاد مدل شده و در اضافه ولتاژهای موقتی، موج سوییچینگ با موجی ضربه‌ای به مولفه 250/2500 µs و موج صاعقه به صورت موجی ضربه‌ای با مولفه 1.2/50 µs شبیه سازی می‌شود. برای مهار اضافه ولتاژهای موقتی باید به کلاس برقگیر توجه شود و کلاس مناسبی انتخاب گردد. همچنین برای مهار اضافه ولتاژهای گذرا باید پاسخ دهی سریع برقگیر مورد توجه قرار گیرد. اضافه ولتاژهای موقت در تعیین مقاومت برقگیر به TOV در مدت زمان معین مورد مطالعه قرار میگیرند در حالی که اضافه ولتاژهای گذرا در تعیین Ures برقگیر و تحمل جریان ضربه حائز اهمیت اند.

جدول مقایسه: Transient Overvoltage vs Temporary Overvoltage

مقایسه شکل موج : Transient Overvoltage vs Temporary Overvoltage

در نمودار بالا:

سمت چپ شکل موج اضافه ‌ولتاژ گذرا (Transient Overvoltage) را داریم یک موج نوک‌تیز و سریع که در کمتر از 50 میکروثانیه افت می‌کند، مثل ضربه صاعقه یا کلیدزنی. (در شکل، ولتاژ این موج بر اساس ولتاژ صاعقه/کلیدزنی پریونیت شد)

سمت راست شکل موج اضافه‌ ولتاژ موقتی (TOV) نشان داده شده یک موج سینوسی 50 هرتزی با دامنه زیاد که برای چند سیکل (چند ده میلی‌ثانیه) ادامه پیدا می‌کنه. (در شکل، ولتاژ این موج بر اساس ولتاژ نامی پریونیت شد)

این مقایسه بصری کمک می‌کند تفاوت‌ها را در طراحی و انتخاب برقگیر دقیق‌تر درک کرد.

با توجه به اهمیت تجهیزات مختلف در پست‌ها و هزینه بالای آن‌ها، باید حفاظت مناسبی برای هر تجهیز در نظر گرفته شود. این تجهیزات باید در مقابل اضافه‌ولتاژهایی که در سیستم پدید می‌آید، از جمله اضافه‌ولتاژهای گذرا (ناشی از صاعقه یا کلیدزنی) و اضافه‌ولتاژهای موقتی (ناشی از نامتعادلی یا خطاها) محافظت شوند. برقگیرها (Surge Arresters) به‌عنوان یکی از مؤثرترین ابزارهای حفاظتی، وظیفه محدود کردن سطح ولتاژ بر روی تجهیزات و تخلیه انرژی اضافی به زمین را بر عهده دارند.

وظیفه اصلی برقگیرها محدود کردن اضافه ولتاژهای سیستم بوده به طوری که ولتاژی که به تجهیزات وارد می‌شود کمتر از حد تحمل آنها باشد. برقگیرها به‌طور خاص برای حفاظت تجهیزات در برابر اضافه‌ولتاژهای گذرا که دارای مدت زمان بسیار کوتاه و دامنه بالا هستند - مانند اضافه‌ولتاژهای ناشی از برخورد صاعقه یا عملیات کلیدزنی- طراحی و به‌کار گرفته می‌شوند.

عملکرد مناسب برقگیر باعث می‌شود تا سطح ولتاژ در پایانه‌های تجهیزات از مقدار قابل تحمل آن‌ها تجاوز نکند، در نتیجه عمر مفید تجهیزات افزایش یافته و از بروز خاموشی‌ها و آسیب‌های جدی جلوگیری می‌شود. برای دستیابی به این هدف، انتخاب صحیح نوع برقگیر، ولتاژ نامی، کلاس انرژی، و محل نصب آن بر اساس استانداردهای بین‌المللی (مانند IEC 60099-4) ضروری است.

سطح عایقی مبنا:

میزان تحمل اضافه ولتاژهای نامبرده (مانند اضافه ولتاژهای گذرا، موقتی و ...) به وسیله تجهیزات، سطح عایقی مبنا گفته می‌شود. در مراحل طراحی پست، با بهره‌گیری از تجهیزاتی مانند برقگیر، سطح عایقی مورد نیاز تجهیزات را در حد قابل کنترل نگه می‌دارند تا ضمن تأمین ایمنی، از افزایش بی‌رویه هزینه‌ها جلوگیری شده و قیمت تمام‌شده تجهیزات کاهش یابد.

برقگیر (Surge Arrester) یک تجهیز حفاظتی با ویژگی مقاومت غیرخطی وابسته به ولتاژ است. رفتار آن به‌گونه‌ای است که در شرایط عادی عملکرد شبکه (یعنی زمانی که ولتاژ در محدوده نامی یا زیر آن است)، دارای مقاومت بسیار بالایی بوده و تنها جریان نشتی بسیار کوچکی از خود عبور می‌دهد؛ در نتیجه تأثیری در عملکرد مدار ندارد.

اما زمانی که اضافه‌ولتاژی ناگهانی و گذرا- مانند موج ناشی از برخورد صاعقه یا عملیات کلیدزنی-در شبکه ظاهر شود و ولتاژ دو سر برقگیر از یک مقدار مشخص (آستانه عملکرد یا Threshold Voltage) فراتر رود، برقگیر به سرعت وارد ناحیه هدایت می‌شود. در این حالت، مقاومت آن به‌طور ناگهانی کاهش یافته و جریان تخلیه بسیار بزرگی را به سمت زمین هدایت می‌کند. این ویژگی باعث می‌شود ولتاژ در محل نصب از مقدار خطرناک تجاوز نکرده و تجهیزات حفاظتی آسیبی نبینند. پس از عبور موج و بازگشت ولتاژ به محدوده نرمال، برقگیر مجدداً به حالت مقاومت بالا بازمی‌گردد.

نحوه نصب این تجهیز بین ترمینال تجهیز مورد حفاظت و زمین، به صورت موازی با تجهیز است.

مکان مناسب نصب برقگیر از نظر کاربرد:

نزدیکترین نقطه به بوشینگ‌های ترانسفورماتور
در طول خط با هدف کاهش ولتاژ کلیدزنی (مخصوص خطوط بلند)
سر خط در ورودی پست
دو طرف ترانسقورماتور در پست

انواع برقگیر:

1. شاخک برقگیر (Arcing horn) اولین نسل برقگیر
2. برقگیر سیلیکون کاربید SiC از دور خارج، جریان زیادی کشیده و تلفات زیادی ایجاد می‌شود.
3. برقگیر اکسید فلزی مانند اکسید روی ZnO

کرونا رینگ:

در ولتاژهای بیشتر از 132 کیلو ولت برقگیرها به تجهیزات تعدیل کننده ولتاژ مجهز می‌شوند که تحت شرایط آلودگی نیز از بروز جرقه روی سطح مقره جلوگیری شود. به جهت توزیع یکنواخت تر شدت میدان الکتریکی روی قرص های برقگیر از هادی های تعدیل کننده ولتاژ (کرونا رینگ و کریدینگ رینگ) استفاده می‌شود.

برقگیر میله‌ای (شاخک برقگیر):

2 میله نوک تیز که در دو سر ترمینال تجهیزات نصب می‌شود. یکی از این میله‌های برقگیر در قسمت برقدار (ترمینال تجهیز مورد حفاظت) نصب شده و دیگری زیر ایزولاتور یا بدنه (ارت) تجهیز نصب می‌گردد. فاصله شاخک های برقگیر با توجه به ولتاژ، شرایط و زمان اعمال ولتاژ تنظیم می‌شود. این میله‌ها باید به گونه‌ای تنظیم و نصب شوند که در برابر حداکثر ولتاژ سیستم پایدار بوده و فقط در برابر ولتاژهای زیاد تخلیه صورت گیرد.

ولتاژ استاندارد برای تست این برقگیرها دارای مشخصه 1.2/50 µsec می‌باشد.

استانداردهای مرتبط با تعیین فاصله‌ی شاخک‌های برقگیر میله‌ای: IEC62305-3 و IEEE std 4-1995 و IEEE std 516-2009

شاخک برقگیر در عین سادگی و ارزان بودن دارای ایراداتی بوده که نمیتوان برای حفاظت کامل تجهیز به آن اتکا کرد. این ایرادات عبارتند از:

1 . عکس العمل کند: ممکن است در برخی موارد هیچ عکس العملی در برابر اضافه ولتاژها از خود نشان ندهند. در زمان تغییرات شدید و سریع فشار ضربه‌ای، زمان زیاد شدن فشار الکتریکی به قدری سریع است که الکترودها بخاطر تاخیر نسبتا طولانی در یونیزه کردن هوا، جوابگوی این ولتاژ نیستند.
2. زمانی که این شاخک‌ها عمل می‌کنند، بین فاز و زمین اتصال کوتاه برقرار شده و رله‌های خطای زمین (earth fault) باید عمل کنند. و این موضوع باعث قطع خط شده و از پایداری شبکه می‌کاهد.

مشخصه ولتاژ-جریان:

برقگیرهاي اکسید روي حاوي مقاومت‌هاي غیرخطی هستند که از ترکیب اکسید فلزات مختلف تشکیل یافته اند. این مقاومت‌هاي غیرخطی به صورت دیسک ساخته می شوند و به طور سري/موازي در ساخت برقگیرها مورد استفاده قرار می گیرند.

براساس مکانیزم هدایت ساختمان داخلی مواد اکسید فلز، مشخصه مؤلفه مقاومتی جریان عبوري از دیسک اکسید فلز به سه ناحیه زیر تقسیم بندي می شود:

ناحیه 1: ناحیه با شدت میدان الکتریکی کم: در ناحیه 1، ولتاژ کار د ائم شبکه قدرت در دو سر ترمینال‌هاي برقگیر وجود دارد و جریان عبوري از آن از یک میلی آمپر کمتر است. برقگیرها باید به گونه اي انتخاب شوند که در ولتاژکار دائم شبکه در این ناحیه قرار بگیرند.

ناحیه 2: ناحیه با شدت میدان الکتریکی متوسط: در ناحیه 2، ولتاژهاي ظاهر شده در پایانه هاي برقگیر، اضافه ولتاژهاي سوئیچینگ و اضافه ولتاژهاي موقت با دامنه بالاتر از ولتاژ فرکانس قدرت هستند . جریان عبوري از برقگیر در این ناحیه می تواند در محدودة یک میلی آمپر تا 2000 آمپر است.

ناحیه 3: ناحیه با شدت میدان الکتریکی بالا: در این ناحیه ولتاژهاي ظاهر شده در پایانه هاي برقگیر اضافه ولتاژهاي با دامنه هاي خیلی بالا می باشند که اضافه ولتاژهاي صاعقه نمونه اي از آنها هستند . جریان عبوري از برقگیر در این ناحیه حدوداً از دو کیلوآمپر تا 100 کیلوآمپر متغیر است.