مقدمه

هدف از این فصل معرفی و شناخت برق‌گیرهای اکسید فلز1 می‌باشد. برق‌گیرها جهت حفاظـت تجهیـزات پست‌های فشـارقوي در مقابل اضافه ولتاژهاي گذرا به کار می‌روند. همچنین مشخصه‌های عمومی برق‌گیرها و تعاریف کلی مرتبط با آن‌ها از دیگر مباحث این فصل خواهد بود.

1-1- کلیات

هر شبکه الکتریکی علاوه بر ولتاژ کار دائم فرکانس قدرتش همواره در معرض امواج ضربه گذرایی همانند امواج ضـربه ناشـی از صاعقه و کلید زنی قرار دارد. از آنجایی که حفاظت تجهیزات شبکه در برابر این‌گونه امواج ضربه گذرا تنها با افزایش اسـتقامت عایقی تجهیزات، پرهزینه و غیرعملی می‌باشد لذا نیاز به وسایل حفاظتی نظیر برق‌گیرها که قادر باشند این‌گونه اضافه ولتاژها را محدود کنند حس می‌شود.

برق‌گیرها با جذب انرژي موج ضربه و انتقال آن به زمین، افت ولتاژ ناشی از این جریان تخلیه را به یک مقـدار مشـخص محـدودمی‌نمایند. این مقادیر افت ولتاژ مشخص به سطوح حفاظتی برق‌گیر تعبیر می‌گردند. خاصیت فوق، این امکان را فراهم می‌سازد که سطوح استقامت عایقی تجهیزات را با ملحوظ نمودن یک حاشیه ایمنی و در نظر گرفتن سایر عوامل و شرایطی که می‌توانند موجب افزایش اضافه ولتاژ ظاهر شده در ترمینال‌های تجهیز مورد حفاظت گردند (نظیر افت ولتاژ در هادی‌ها، جریان‌های تخلیه صاعقه‌هایی که از مقدار پیش بینی شده بزرگ‌تر هستند، اثر فاصله میان برق‌گیر و تجهیز مورد حفاظت و …) در حدي انتخـاب نمـود کـه تحـت هیچ شرایطی اضافه ولتاژهاي ظاهر شده در پایا نه‌های تجهیز مورد حفاظت از حدود استقامت عایقی آن‌ها فراتر نرود.

عموماً برق‌گیرها به‌صورت موازي با تجهیزي که باید حفاظت شود اتصال می‌یابند و در شبکه‌های سه فاز معمولاً بین فاز و زمین یا بین فازها قرار می‌گیرند.

ساده‌ترین نوع وسایل محدودکننده امواج ضربه، جرقه گیرهـ ا2 هسـتند کـه به دلیل سـادگی و ارزانـی در ابتـدا به‌عنوان وسایل حفاظت کننده عایق تجهیزات در برابر اضافه ولتاژهاي گذرا در شبکه استفاده می‌شدند. امروزه استفاده از جرقه گیرها براي مقاصد فوق تقریباً منسوخ گشته است و عمده استفاده آن‌ها ایجاد هماهنگی لازم میان استقامت عایقی داخلی و خارجی تجهیزات می‌باشد. دلایل این امر را می‌توان به شرح زیر برشمرد:

ـ در صورتی که جرقه گیرها در اثر امواج ضربه عمل کنند شبکه عملاً با افت ولتاژ شدیدي روبرو خواهد شد که حتی با فروکش کردن ولتاژ ضربه، قوس الکتریکی به دلیل وجود ولتاژ فرکانس قدرت شبکه همچنان پایدار باقی مانده که این امر از دیدگاه شبکه یک اتصال کوتاه محسوب شده و ناگزیر جهت قطع این جریان (که از آن به جریان تعقیبی 3 تعبیر می‌شود) لازم اسـت کلیدهای قدرت عمل کنند. این مسئله علاوه بر اینکه باعـث عـدم تـداوم سـرویس دهـی بـه بـار و در نتیجـه کـاهش قابلیـت اطمینـان در

1 . Metal oxide surge arresters

2 . Spark- gaps

3 . Follow current

سرویس دهی می‌شود، شبکه و تجهیزات آن را در معرض تنش‌های مکانیکی و حرارتی ناشی از جریان اتصال کوتـاه قـرار می‌دهد.

علاوه بر این عمل کردن جرقه گیرها باعث تولید موج بریده1 می‌شود که براي تجهیزات با عایق خشک، خالی از خطر نیست.

- مشخصه حفاظتی این وسایل شدیداً تابع پلاریته موج، آرایش الکترودي و شرایط آب و هوایی است. ضمن اینکـه عکـس العمـلمناسبی در برابر امواج با شیب تند ندارند. این مسئله تنظیم آن‌ها را جهت دستیابی به یک سطح حفاظتی معین، مشکل می‌سازد.

- چنانچه جرقه گیرها در موقعیت مناسبی نصب نشوند، احتمال آسیب دیدن تجهیزات توسط قوس الکتریکی ناشی از عملکرد آن‌ها و نیز سرایت آن به سایر فازها وجود دارد.

به دلایل فوق، امروزه کاربرد جرقه گیرها جهت حفاظت تجهیزات در برابر امـواج ضـربه کـاملاً منسـوخ شـده و تنهـا اسـتفاده از برق‌گیرها مدنظر قرار می‌گیرد.

برق‌گیرها خود به انواع زیر تقسیم می‌شوند:

- برق‌گیرهای با مقاومت غیرخطی با فواصل هوایی2 (SiC)

- برق‌گیرهای اکسید فلز بدون فواصل هوایی3 (ZnO)

برق‌گیرهای با مقاومت غیرخطی از المان‌های مقاومتی غیرخطی که مخلوطی از اکسید فلزات شامل اکسید روي، به‌طور عمـده واکسید سایر فلزات می‌باشند، ساخته شده‌اند. به‌منظور ساخت مقاومت‌ها، اکسید روي به میزان 75 الی 80 درصد و اکسید سـایر فلـزات شامل اکسید بیسموت (3(Bi2O، اکسید کبالت (CoO)، اکسید کروم (3(Cr2O، اکسید منگنز (MnO) و اکسـید آنتیمـوان (3(Sb2O به‌صورت پودر آسیاب شده، سپس به خمیر تبدیل و به شکل استوانه‌ای به قطر 2 الی 6 سانتیمتر و ضخامت 5 تا 50 میلی‌متر تغییر شکل داده شده و نهایتاً در کوره پخته می‌شوند. مقاومت‌های با ابعاد و اندازه‌هایی به شرح فوق، المان‌های مقاومت غیرخطی یا واریستور نامیده می‌شوند. از آنجایی که مقاومت‌های غیرخطی از اکسید فلزات تشکیل شده‌اند، به آن‌ها برق‌گیرهای اکسید فلز یـا به‌طور خلاصـهMOA میگویند. در پاره‌ای از موارد به علت نقش عمده و برجسته اکسید روي در سـاختمان مقاومت‌های غیرخطـی و درصـد قابل‌ملاحظه آن در مخلوط به ذکر اکسید روي یا برق‌گیر ZnO اکتفا می‌شود.

در برق‌گیرهای با مقاومت غیرخطی با فواصل هوایی، المان‌های مقاومت غیرخطی همراه یک سري از فواصل هوایی سري/موازی ساختمان برق‌گیر را تشکیل می‌دهند در حالی که در برق‌گیرهای اکسید فلز تنها مقاومت‌های غیرخطی به کار رفته و فواصل هوایی حذف می‌شوند. در این حالت المان‌های مقاومت غیرخطی به‌طور کامل تحت ولتاژ دائم فرکانس شبکه قـرار می‌گیرند در حالی که در نـوع برق‌گیرهای با مقاومت غیرخطی با فواصل هوایی ولتاژ شبکه به مجموعه المان‌های غیرخطی و فواصل هـوایی سـري/ مـوازي اعمـال می‌شود.

ساختمان شماتیک و مشخصه ولت ـ آمپر برق‌گیرهای اکسید فلز بدون فاصله هوایی (ZnO) و برق‌گیرهای با مقاومـت غیرخطی با فواصل هوایی (SiC) در شکل‌های 1-1(و) (1-2) نشان داده شده‌اند.

1 . Chopped wave

2 . Non- linear resistor type arresters with spark-gaps

3 . Non-linear metal oxide resistor type arresters without spark-gaps/ZnO arresters

شکل 1-1: ساختمان شماتیک برق‌گیرهای ZnO و SiC

شکل 1-2: مشخصه ولت ـ آمپر برق‌گیرهای ZnO و SiC

 مشخصه ولت ـ آمپر برق‌گیرها توسط رابطه زیر داده می‌شود:

I = K.Ua

 (1-1)

در این رابطهK وa مقادیر ثابتی هستند که به ابعاد فیزیکی، جنس و نحـوه سـاخت قرص‌هایZnO یـاSiC بسـتگی دارنـد. بـهطوریکه:

- در مورد برق‌گیرهای a = 4-6 : SiC

- در مورد برق‌گیرهای a = 25-55 : ZnO

بزرگ بودن نمايa در برق‌گیرهایZnO باعث می‌شود که جریان برق‌گیر در ولتاژهاي عادي کار به حدود یک میلی آمپر محدودشده و نیازي به وجود فواصل هوایی در این نوع برق‌گیرها احساس نشود. فواصل هوایی در برق‌گیرهای با مقاومت غیرخطی با فواصل هوایی وظایف زیر را بر عهده دارند:

- تحمل ولتاژ شبکه بدون ایجاد جرقه

- شکست در ولتاژ معین به‌منظور ایجاد مسیري براي تخلیه جریان از طریق بلوکه‌ای مقاومتی

- برگشت به حالت عادي در ولتاژ نامی و پس از تخلیه جریان‌های ضربه‌ای

در برق‌گیرهای با مقاومت غیرخطی با فواصل هوایی به دلایل مختلف از جمله کنترل جرقه و ایجاد توانایی بیشتر در برگشـت به حالت عادي، کل فاصله هوایی به تعدادي فاصله هوایی سري تفکیک شده است. در این حالت به دلیـل ظرفیت‌های پراکنـده فواصل هوایی، ولتاژ به‌صورت غیرخطی در طول فاصله هوایی توزیع می‌شود. براي رفع این عیب، فواصـل هـوایی برق‌گیرهای بـا مقاومت غیرخطی با فواصل هوایی به المان‌های مقاومت ـ خازنی مجهز شده‌اند. به این ترتیب می‌توان به توزیع ولتاژ یکنواخت‌تری در فواصل هوایی دست یافت. در نسل‌های جدیدتر برق‌گیرهای با مقاومت غیرخطی با فواصل هوایی، از بازه‌های هوایی فعال1 اسـتفاده می‌شود.

بدین ترتیب که یک یا چند پیچک مغناطیسی به‌موازات برخی از مقاومت‌ها تعبیه می‌شود. پس از تخلیه مـوج ضـربه، توسـط جریان تعقیبی یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود که مایل است طول قوس را افزایش دهد. بدین ترتیب قوس زودتر از موعد مقرر (عبور از نقطه صفر) خاموش گشته و انرژي کمتري در برق‌گیر تخلیه می‌شود. این مکانیزم علاوه بر قطع سریع جریان تعقیبی، باعـث کاهش تنش‌های حرارتی برق‌گیر و افزایش آمادگی برق‌گیر براي تخلیه بعدي می‌شود. همان‌طوری که از شکل 1-1() نمایان است، برق‌گیرهایZnO برخلاف نوعSiC، فاقد فواصل هوایی بوده و بنابراین اجزاء اکتیو برق‌گیر به‌طور دائم زیر ولتاژ قرار دارند. این مسئله در بررسی رفتار حرارتی برق‌گیرهای ZnO و عملکرد رضایت‌بخش آن‌ها و در طول عمر پیش بینی شده آن‌ها بسیار حائز اهمیت است.

از مهم‌ترین محاسن برق‌گیرهای جدیدZnO ظرفیت حرارتی بسیار بالا به علت عدم وجود جریان تعقیبی2 و مشخصه بی‌نهایت غیرخطی آن‌ها در مقایسه با برق‌گیرهایSiC است. این مشخصه امکان تخلیه ایمن صاعقه‌های قوي و حفاظت مطمئن‌تر تجهیزات را فراهم می‌کند. از سوي دیگر برخی مزایاي ناشی از حذف فواصل هوایی در برق‌گیرهای ZnO به شرح ذیل هستند:

- تعداد قطعات به‌طور قابل ملاحظه‌ای کاهش یافته و این باعث سادگی طرح و افزایش قابلیت اطمینان برق‌گیر می‌گردد.

- دقت در طرح و پیش بینی سطوح حفاظتی بیشتر شده و هر گونه عدم قطعیت در رابطه با ولتاژهاي جرقـه در شـرایط مختلـف از بین رفته است (برق‌گیرهای ZnO سطوح حفاظتی معینی دارند).

- هنگام ظاهر شدن اضافه ولتاژ، برق‌گیر ZnO آرام‌تر و یکنواخت‌تر وارد ناحیه هدایت شده و یا از آن خارج می‌شود و ایـن پدیـده، حالت گذراي کمتري ایجاد می‌کند.

- در عمل جریان‌های تعقیبی 200 تا 400 آمپري برق‌گیرهایSiC وجود نداشته و بنابراین احتمال قطعی در شبکه به‌مراتب کمتـراست.

- نفوذ آلودگی به داخل برق‌گیر به‌مراتب کمتر است به نحوي که قابلیت اطمینان آن افزایش یافته و هزینه‌های مربوط به نظارت و تمیز کردن برق‌گیر نیز کاهش می‌یابند.

- کوچکی و سبکی از دیگر مزایاي برق‌گیرهای نوع ZnO بشمار می‌رود.

در مقابل، برق‌گیرهایZnO نیز نسبت به برق‌گیرهایSiC داراي معایبی چند هستند که شاید مهم‌ترین آن‌ها مسئله افزایش دماي برق‌گیر در اثر پدیده‌های اضافه ولتاژ موقت است. مادامی که برق‌گیر در ولتاژ کار نامی شبکه مشغول به کار می‌باشد، جریان عبـوري از برق‌گیر بسیار ناچیز بوده و نمی‌تواند باعث ایجاد مشکلات حرارتی براي برق‌گیر گردد، اما چنانچه ولتاژ کـار سیسـتم بـه عللـی مانند خطای فاز به زمین، رزونانس، فرو رزونانس و غیره که می‌توانند باعث اضافه ولتاژهاي موقت با دامنه ولتاژي بزرگ‌تر از ولتاژ کـار دائـم

1 . Active-gaps

2 . Follow current

برق‌گیر گردند، افزایش یابد جریان عبوري از برق‌گیر نیز افزایش می‌یابد و در صورتی که مدت زمان تداوم این اضافه ولتاژهاي موقـت از حدی طولانی‌تر گردد ممکن است منجر به ناپایداري حرارتی در برق‌گیر شود. در حالی که در برق‌گیرهایSiC به علت وجود فواصل هوایی سري با المان‌های غیرخطی تا زمانی که ولتاژ دو سر برق‌گیر به حدي نرسیده است که فواصل هوایی جرقـه زننـد ایـن جریان نشتی به وجود نیامده و در نتیجه این گونه برق‌گیرها در مقابل اضافه ولتاژهاي موقت پایدارتر هستند.

به هر حال مشکل فوق را می‌توان با طراحی مناسب برق‌گیرهایZnO و با حساب آوردن کلیه اضـافه ولتاژهـاي موقـت (چـه ازلحاظ دامنه و چه از لحاظ مدت زمان استمرار آن‌ها) برطرف نمود.

با توجه به توضیحات ارائه شده در مورد محاسن برق‌گیرهای اکسید فلز (MOA) و تکنولوژی‌های روبه رشد در طراحـی و ساخت این نوع برق‌گیرها تقریباً استفاده از برق‌گیرهایSiC منسوخ شده است و امروزه به‌طور وسـیعی از برق‌گیرهای اکسـید فلـز جهت حفاظت تجهیزات در مقابل امواج ضربه گذرا استفاده می‌گردد.