سرج ارستر

سرج ارستر (Surge Protective Devise-SPD) اصطلاحی است که IEC به دستگاه هایی می دهد که قصد محدود کردن ولتاژهای گذرا (Transient Voltages) و جریان های غیر عادی را دارند . در کشورهای مختلف این محصول نام های گوناگونی دارد .
در بسیاری از صنایع و مناطق از این اصطلاحات برای تعیین سطح حفاظتی استفاده می شود اما در کل تمام دستگاه هایی که به این نام ها نامیده می شوند به عنوان سرج ارستر شناخته می شوند .سرج ارسترها به وسیله فن آوری های مختلفی ساخته می شوند که گاهی برای نام گذاری از این فن آوری ها استفاده می شود .

موج هایی که توسط رعد و برق های جزیی و عمل سوییچ ایجاد می شوند . از شکل موج μs  20 /8 (موج جریان در 8 میکرو ثانیه به 90% مقدار حداکثر جریان تخلیه تعیین شده می رسد . و پس از گذشت 20 میکرو ثانیه جریان تخلیه به نصف مقدار حداکثر کاهش می یابد.) پیروی می کند .
موج هایی که توسط صاعقه های مستقیم ایجاد می شوند . از شکل موج μs  350/10 (جریان صاعقه در 10 میکرو ثانیه به 90% مقدار حداکثر جریان تخلیه تعیین شده می رسد . و پس از گذشت 350 میکرو ثانیه جریان تخلیه به نصف مقدار حداکثر کاهش می یابد.) پیروی می کند .

                           

LPZ0A : منطقه محافظت نشده بیرون ساختمان . برخورد صاعقه مستقیم , بدون شیلد در برابر تداخل پالس الکترومغناطیسی (LEMP)

LPZ0B: منطقه حفاظت شده بوسیله سیستم حفاظت صاعقه خارجی , بدون شیلد در برابر تداخل پالس الکترومغناطیسی (LEMP)

LPZ1 : منطقه داخل ساختمان که ممکن است قسمت کمی از انرژی صاعقه را شامل شود .

LPZ2 : منطقه داخل ساختمان که ممکن است موج های کمی را شامل شود .

LPZ3 : منطقه داخل ساختمان (می تواند جعبه فلزی مصرف کننده باشد) بدون دخالت پالس های الکترومغناطیسی یا وجود موج .

                         

بررسی سرج ارستر های فشار ضعیف (Surge Protection Device)
برای ایجاد اتصال هم پتانسیل باید در محل ورود تاسیسات به داخل سازه از برقگیر جریان صاعقه استفاده شود . که باید دارای کلاس حفاظتی I , B (در استاندارد IEC : I و با توجه به استاندارد VDE : B) باشد . لازم به ذکر است که استفاده از این برقگیر برای سازه هایی که LPS دارند اجباری است . اما در صورتی که LPS به سازه وصل نشده باشد . در اکثر موارد نیاز به استفاده از برقگیرهای کمکی درتابلوی توزیع برق کوچک یا نزدیک تر به تجهیز یا درون تجهیز است . این برقگیرها به عنوان محافظ ثانویه در نظر گرفته می شوند که باید دارای کلاس حفاظتی II یا III باشند . هدف از برقگیرهای کلاس I)B) شبیه سازی هدایت جریان های ضربه ای صاعقه است . به این ترتیب نام دیگر برقگیرهای کلاس I برقگیرهای جریان صاعقه است .
هدف از برقگیرهای کلاس II )C)آزمایش برقگیرها در برابر جریان های ضربه ای کوتاه مدت تر است . و کمتر در معرض برخورد مستقیم جریان های ضربه ای قرار دارند . و برای پایین آوردن جریان صاعقه عبوری ازبرقگیر جریان صاعقه استفاده می شود .

نام دیگر برقگیرهای کلاس II برقگیرهای اضافه ولتاژ است .
هدف از برقگیرهای کلاس III)D) آزمایش برقگیرها در برابر ولتاژهای ضربه ای است .
هدف از برقگیرهای کلاس B+C :طبق استاندارد، فاصله نصب بین دو برقگیر کلاس B و C نباید کمتر از 10 متر باشد. رعایت این فاصله، مشکلاتی را در امور تابلوسازی ایجاد می کند که برای رفع آن، از ارسترهای کلاس ترکیبی B+C استفاده می شود. برخی از ارسترهای کلاس B دارای تکنولوژی خاصی می باشند که می توان ارستر کلاس C را بلافاصله در کنار آن نصب نمود.
هدف از برقگیرهای  کلاس C+D :طبق استاندارد، فاصله نصب بین دو برقگیر کلاس C و D نباید کمتر از 5 متر باشد. رعایت این فاصله، مشکلاتی را در امور تابلو سازی ایجاد می کند که برای رفع آن، از ارسترهای کلاس ترکیبی C+D استفاده می شود.
بر اساس استاندارد IEC : طول خط که ارستر در آن است و طول خط که دستگاه محافظ شونده در سیستم زمین , در هر صورت باید زیر 0.5 متر باشد . و اگر بیش از مقدار شود سیم بندی نوع V انتخاب می گردد .

حداقل سطح مقطع برای حفاظت از صاعقه :

ولتاز نامی (Uc =Un= Nominal Voltage)  : از آنجا که برقگیر بین فاز و زمین قرار می گیرد ولتاژ کار دائم روی برقگیر به میزان برابر ولتاژ خط می باشد . مقدار RMS موج سینوسی که فرکانس آن 50 تا 60 هرتز است . و حداکثر ولتاژ کار دائمی , بیشترین ولتاژ دائمی است که می توان به یک برقگیر اعمال کرد بدون این که در عملکرد آن اختلال یا مانع ایجاد شود .که معمولا 15% نسبت به ولتاژ نامی افزایش دارد .
جریان تخلیه ضربه(I-imp=Impulse Discharge Current) : یک موج استاندارد با شکل موج μs  350/10 می باشد که ارسترهای جریان باید قادر به تخلیه چند باره این جریان های ضربه باشند . بدون آنکه آسیبی به تجهیزات وارد آید .
جریان تخلیه نامی(I-n=Nominal Discharge Current)  : مقدار پیک یک جریان ضربه با شکل موج μs  20 /8 که ارستر برای تخلیه متعدد آن طراحی شده است .
جریان تخلیه کل(I-total=Total discharge Current) :  به جریانی که سرج ارستر باید توانایی عبور جمع جریان های هر سه فاز را در هنگام صاعقه و یا سوئیچینگ از مسیر کارتیج متصل به سیستم زمین دارا باشد . این جریان در برخی موارد برابر با جمع جریان تخلیه ضربه هر سه فاز است و در مواردی که از سرج ارستر نوع اسپارک گپ استفاده می شود . این جریان به گونه ای متفاوت محاسبه می شود . (بستگی به نوع سرج ارستر مورد استفاده دارد)
سطح حفاظت ولتاژی(Up=Voltage Protection Level) : عبارتست از مقدار ولتاژی که سرج ارستر , تجهیزات را در برابر آن محافظت می کند . و ولتاژی که قابل تحمل بین ترمینال های سرج ارستر می باشد .

Up >=  0.8 BIL
که در آن BIL سطح عایقی تجهیزات می باشد .
زمان پاسخ(t-A=Response Time) : مدت زمانی که  طول می کشد در آن سرج ارستر به اغتشاشات ولتاژی ورودی به سیستم عکس العمل نشان دهد . که هر چه مدت این زمان کوتاه تر باشد , سرج ارستر با سرعت بیشتری , اغتشاش ورودی به سیستم را شناسایی کرده و از آسیب به تجهیزات دیگر جلوگیری می کند .
1-3- سرج ارستر سیلیکون کارباید (SiC)


تا چندی قبل روش متداول حفاظت در مقابل صاعقه استفاده از سرج ارسترهای سیلیکون کارباید (SiC) بود. این سرج ارسترها از ترکیب سری فواصل هوائی با مقاومت ساخته می شوند و بر خلاف جرقه گیرها ، پس از عملکردن ، شبکه قدرت قابلیت بازگشت به حالت اولیه را خواهد داشت. زیرا مقاومت مذکور جریان تخلیه را کاهش داده و به لحاظ هم فاز بودن تقریبی جریان و ولتاژ پس از به صفر رسیدن شکل موج ولتاژ نامی سیستم ، جریان مجدداً برقرار نمی شود . مقاومت های این نوع از برقگیرها از نوع غیرخطی هستند زیرا از یک طرف باید آنقدر کوچک شوند که توسط فواصل هوایی قابل قطع باشند و از طرف دیگر در ولتاژهای ضربه ای به صورتی باشند که در اثر تخلیه جریان های ضربه ای زیاد ، افت ولتاژ دو سر آنها (ولتاژ پسماند) از سطح حفاظتی تجهیزات کمتر شود. معمولاً این مقاومتها از نیمه هادی سیلیکون کارباید (SiC) ساخته می شوند که دارای خاصیت مذکور می باشند.
برقگیر سیلیکون کارباید , شامل یک مقاومت سیلیکون کارباید , با مشخصه غیرخطی V-I بصورت سری با یک فاصله هوایی می باشد. وقتی اضافه ولتاژ از حد ولتاژ جرقه بیشتر شود، با ایجاد جرقه در دو سر فاصله هوایی ، افزایش امپدانس مسیر جرقه از افزایش شدید جریان جلوگیری می کند. فاصله هوایی جرقه که به آن فاصله جرقه اکتیو گفته می شود، طوری طراحی می گردد که بعد از چند بار جرقه زدن در اثر اضافه ولتاژ، جرقه مسدود گردد.برقگیرهای SiC به هیچ عنوان نباید تحت اضافه ولتاژهای با فرکانس قدرت عمل کنند زیرا باعث ایجاد اتصال کوتاه به زمین و عبور انرژی زیادی از خود شده و از بین می روند. برقگیرهای SiC سطح اضافه ولتاژهای ناشی از صاعقه و کلیدزنی را به حد مشخصی کاهش می دهند که این حد بستگی به ولتاژ نامی برقگیر دارد. اضافه ولتاژ کلیدزنی با انرژی بالا که جریان تخلیه زیادی را برای مدت طولانی اعمال می کند، ممکن است باعث سوختن الکترودهای برقگیر شود و لذا این مسأله باعث محدودیت در کاربرد این نوع برقگیرها می شود و همچنین باعث می شود که سطح استقامت عایقی بالاتری برای تجهیزات انتخاب شود. در چنین حالاتی باید برقگیرهائی با ولتاژ نامی بالاتر انتخاب شوند تا در اضافه ولتاژهای ناشی از کلیدزنی عمل نکنند.

در برقگیرهای SiC نوع جدید، برای کاهش تلفات (افزایش طول عمر و قدرت تحمل انرژی) برقگیر و برای خاموش کردن جرقه در فاصله هوایی پس از حذف موج و در نتیجه قطع جریان، از روشهای مغناطیسی استفاده می شود. برقگیر SiC با خاموش کن مغناطیسی سه برابر بیشتر از نوع معمولی آنها قابلیت تحمل انرژی را دارا می باشد، زیرا تلفات جریان متعاقب موج۱ به حداقل مقدار خود می رسد. این نوع برقگیرها در شبکه های با ولتاژ بالا کاربرد دارند.
2-3- سرج ارسترهای نوع اکسید فلزی (MOV)

نوع جدید سرج ارسترها دارای بلوک هایی با مقاومت الکتریکی غیرخطی و از جنس اکسید فلزات می باشد. این بلوک ها به MOV مشهور می باشند. از آنجا که حدود 95% از مواد تشکیل دهنده بلوک های MOV را اکسید روی (ZnO) تشکیل می دهد، به آنها برقگیرهای ZnO نیز گفته می شود. اجزاء تشکیل دهندة برقگیرهای ZnO ، شامل اکسید روی و مقادیر کمی از اکسید دیگر فلزات از قبیل بیسموت ، کبالت ، آنتیموان و اکسید منگنز می باشد. ذرات بسیار ریز اکسید روی و اکسید فلزات دیگر پس از فشرده شدن بصورت دیسک و در اندازه های معین شکل می گیرند. سپس این دیسکها در درجه حرارت بالا پخته شده و به صورت سرامیک در می آیند. این دیسکها بصورت سری در محفظه استوانه ای شکل قرار گرفته و برقگیر ZnO را تشکیل می دهند.
بلوک ZnO دارای یک مشخصه ولتاژ – جریان کاملاً غیرخطی می باشد و دارای قابلیت جذب انرژی بسیار خوبی است. دنباله جریان در این نوع سرج ارسترها وجود ندارد ، یعنی جریان با کاهش اضافه ولتاژ ضربه ای کاهش می یابد و با ولتاژ متناوب (ولتاژ نامی سیستم) ادامه پیدا نمی کند. از اینرو این نوع سرج ارسترها در عمل کمتر از برقگیرهای با فاصله هوایی گرم می شوند و تکرار عملکرد آنها کمتر مشکل ایجاد می نماید. از دیگر مزایای این نوع برقگیرها ، سرعت عملکرد در پیشانی موج است. به این معنی که تأخیری که در سرج ارسترهای با فاصله هوایی وجود دارد ، در این نوع سرج ارسترها خیلی کمتر است.با توجه به عدم وجود فاصله هوایی ، امکان موازی کردن برقگیر ZnO وجود دارد. به این ترتیب می توان تحمل سرج ارستر در مقابل جریان های زیاد را افزایش داد. با مقایسه مشخصه ولتاژ – جریان بلوک های SiC و ZnO مشخص می شود که تحت ولتاژ نامی شبکه ، جریان عبوری از بلوک ZnO کمتر از یک میلی آمپر است. در حالی که این مقدار برای بلوک های SiC به مراتب بیشتر است. سرج ارسترهای ZnO می توانند اضافه ولتاژهای با فرکانس قدرت را برای مدت شخص تحمل کنند و با در نظر گرفتن این ویژگی، حتی در سیستم های زمین نشده (که هنگام اتصال کوتاه یک فاز به زمین، ولتاژ فازهای دیگر می تواند تا  برابر افزایش یابد) می توان سطح عایقی کمتری را انتخاب کرد.
یکی از مشکلات سرج ارسترهای ZnO ، جریان نشتی در فرکانس قدرت می باشد. این جریان در حد میلی آمپر است ولی ممکن است با تکرار عملکرد برقگیر، لایه عایق بین دانه های اکسید روی سوخته شود و باعث افزایش جریان نشتی گردد. مسأله دیگر، تغییر مقاومت بر اثر درجه حرارت است. این تغییر در جریان های کم بیشتر محسوس است ولی بهرحال با کاهش مقاومت تحت ولتاژ نامی شبکه بر اثر درجه حرارت، احتمال گرم شدن و کاهش مقاومت و افزایش درجه حرارت وجود دارد.
با وجود این مشکلات، اما بخاطر مزایای زیاد سرج ارسترهای ZnO ، استفاده از این سرج ارسترها رو به افزایش است و بتدریج جایگزین برقگیرهای دیگر می گردند.

بعضی از مزایای سرج ارسترهای ZnO عبارتند از:

1)   کارائی بهتر نسبت به سایر برقگیرها (بهتر از سایر برقگیرها، اضافه ولتاژها را
می کند).
2)   پراکندگی کم ولتاژ پسماند و همچنین دارای ولتاژ پسماند خیلی کم.
3)   دارای تأخیر زمانی خیلی کم.
4)   برگشت طبیعی به وضعیت اولیه یا مدار باز.
5)   دارای مشخصه ولت – جریان خطی تر از سرج ارستر SiC.
6)   دارای سطح حفاظتی خیلی خوب.
7)   جریان نشتی پایین در شرایط کار نامی سیستم (حداقل تلف توان).
از مهمترین عیب های سرج ارسترهای ZnO ، قیمت زیاد آنها نسبت به دیگر برقگیرهاست و دیگر اینکه سرج ارسترهای ZnO در سیستم های دارای نوسانات ولتاژ قابل ملاحظه ، بیشتر از سرج ارسترهای SiC در معرض خطر و آسیب دیدگی قرار می گیرند.

نکات کاربردی در رابطه با سرج ارستر : در انتخاب و نصب سرج ارستر نکاتی وجود دارد که توجه به آنها بسیار مفید است.






در پایه های دوپل و بالاتر، صرفا یک شینه (باسبار) مسیرهای خروجی به ارت را به یکدیگر پل می نماید که این ، تنها بمنظور کاهش میزان سیم کشی است. برخی اوقات این پل شدن در کارخانه انجام می شود که در بعضی قطعات قابل رویت و بعضی دیگر دیدنی نیست. گاهی نیز توسط کاربر شینه دلخواه استفاده می شود. نکته در اینجاست که هر چند یک سرج ارستر ممکن است سه فاز باشد ، باید از شینه تکفاز برای پل کردن استفاده نمود.



برقگیر در ورودی پستهای ترانس قبل از کلیه تجهیزات و تا حد ممکن نزدیک به  آنها نصب گردد. علاوه بر برقگیری که در ورودی پستهای ترانس نصب می‏شود قبل از تجهیزات مهم مانند ترانسفورماتورهای قدرت نیز جداگانه برقگیر نصب می‏شود.

شرکت ابو–  بترمن آلمان علاوه بر برقگیرهای شبکه AC، سیستمهای حفاظتی برای مصارف فتوولتائیک ، خطوط دیتا و DSL، تلفن وISDN ، آنتن و ... نیز تولید می کند که هر کدام توپولوژی ویژه ، استانداردها و نکات و ظرافتهای خود را دارند.
در پایان ، هدف اصلی استفاده از سرج ارسترها ، فدا کردن یک قطعه برای حفظ سلامت انبوهی از قطعات است . بعبارتی " یکی برای همه ". در میان مدت و بلند مدت ، استفاده از سرج ارستر هزینه های بسیاری را کاهش می دهد و چندین برابر سرمایه گذاری برای این تجهیزات را باز می گرداند.