نشریه شماره 501-2- مشخصات فنی عمومی و اجرایی پست ها، خطوط فوق توزیع و انتقال برقگیرها در پست های فشار قوی

1-2- مشخصه‌های عمومی برق‌گیرهای اکسید روي

مشخصه‌های عمومی این نوع برق‌گیرها به شرح ذیل می‌باشند:

1-2-1- مشخصه ولتاژ ـ جریان

برق‌گیرهای اکسید روي حاوي مقاومت‌های غیرخطی هستند که از ترکیب اکسید فلزات مختلف تشکیل یافته‌اند. ایـن مقاومت‌های غیرخطی به‌صورت دیسک ساخته می‌شوند و به‌طور سري/موازي در ساخت برق‌گیرها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

دیسک‌ها را می‌توان به‌وسیله مدار معادل شکل (1-3) نشان داد. در این شکلRi  نشان‌دهنده مقاومت غیرخطی لایه‌های دانه‌ای مواد ترکیبی آن بوده که در آن مقاومت مخصوص r از مقدار 108 اهم ـ متر براي تنش‌های میدان الکتریکی کم تا 01/0 اهـم ـ متر برای تنش‌های بزرگ تغییر می‌کند.

 لایه‌های دانه‌ای داراي ثابت دي الکتریکی (εr) مابین تا005 1200، بسته به شیوه ساخت می‌باشند.

Rz مقاومت دانه‌های اکسید روي با مقاومت مخصوص حدود 01/0 اهم ـ متر است. L نمایش دهنده انـدوکتانس دیسـک اکسید فلز بوده که بر اساس هندسه مسیر عبور جریان1 تعیین می‌گردد.

1. Geometry of the current flow path

 شکل 1-3: مدار معادل دیسک‌های اکسید فلز برق‌گیر

مشخصه‌های ولتاژ ـ جریان براي مؤلفه مقاومتی ((IR و مؤلفه خازنی ((IC جریان عبوري از دیسک اکسـید فلـز در شـکل 4-1() نشان داده شده‌اند.

 شکل 1-4: مشخصه ولت ـ آمپر دیسک‌های اکسید فلز

بر اساس مکانیزم هدایت ساختمان داخلی مواد اکسید فلز، مشخصه مؤلفه مقاومتی جریان عبوري از دیسـک اکسـید فلـز بـه سه ناحیه زیر تقسیم بندي می‌شود:

ناحیه 1: ناحیه با شدت میدان الکتریکی کم

مکانیزم هدایت در این ناحیه به‌وسیله سدهاي انرژي 1 در لایه‌های دانه‌ای2 مشـخص می‌گردد. سـدهاي انـرژي مـانع از حرکت الکترون‌ها از یک دانه به دانه دیگر می‌گردند. اعمال میدان الکتریکی، انرژي این سدها را کاهش می‌دهد، در نتیجه عبـور الکترون‌ها از یک دانه به دانه دیگر میسر شده و این امر موجب افزایش کوچکی در جریان عبوري از ماده می‌شود. این پدیده به اثر تونلی3 مرسوم است.

1 . Energy barriers

2 . Granular layer

.3 Tunnel effect

مکانیزم هدایت در این ناحیه به‌گونه‌ای است که می‌توان چگالی جریان عبوري را با معادله زیر تقریب زد:

Ø Ee3 /4pe0 -fB ø

J r = J expo Œœ ()1-2

μ KT ϧ

که در آن 0J ثابتی است که بستگی به جنس ماده و هندسه لایه‌های دانه‌ای مواد اکسید فلز دارد، ΦB پتانسـیل سد کنندگی بـرحسب ولت،E شدت میدان الکتریکی اعمال شده به دیسک بر حسب ولت بر متر، e بار الکترون بر حسب کولمب، K ثابت بولتزمن و T دماي مطلق بر حسب کلوین می‌باشد.

با افزایش دما، انرژي الکترون‌های آزاد داخل ماده اکسید فلز افزایش یافته و الکترون‌ها می‌توانند پتانسیل سد را به‌راحتی پشت سـربگذارند. به همین دلیل است که با افزایش دما، منحنی در ناحیه 1 به سمت پایین حرکت کرده است و هدایت در سطوح پایین‌تری از ولتاژ حاصل می‌شود.

در ناحیه 1، ولتاژ کار دائم شبکه قدرت در دو سر ترمینال‌های برق‌گیر وجود دارد و جریان عبوري از آن از یک میلی آمپر کمتر است.

برق‌گیرها باید به‌گونه‌ای انتخاب شوند که در ولتاژ کار دائم شبکه در این ناحیه قرار بگیرند.

ناحیه 2: ناحیه با شدت میدان الکتریکی متوسط

وقتی که شدت میدان الکتریکی در لایه‌های دانه‌ای مواد اکسید فلز به حدود kV/mm 100 می‌رسد الکترون‌ها به‌موجب اثر تونلی از سدها عبور نموده به‌گونه‌ای که می‌توان چگالی جریان عبوري را با معادله زیر تقریب زد:

J r = J expI ØŒº-(AfB32 /E)øœß (3-1)

که در آن 1J وA ثابت‌های مشخص براي هر ماده می‌باشند و مابقی پارامترها و واحدهاي اندازه‌گیری آن‌ها مطـابق رابطـه 2-1() می‌باشد.

در ناحیه 2، ولتاژهاي ظاهر شده در پایانه‌های برق‌گیر، اضافه ولتاژهاي سوئیچینگ و اضافه ولتاژهاي موقت با دامنه بالاتر از ولتاژ فرکانس قدرت هستند. جریان عبوري از برق‌گیر در این ناحیه می‌تواند در محدودة یک میلی آمپر تا 2000 آمپـر بـوده و مؤلفـه اصلی جریان، مؤلفه مقاومتی جریان ((IR است.

ناحیه 3: ناحیه با شدت میدان الکتریکی بالا

در این ناحیه افت ولتاژ در سد به علت اثر تونلی کوچک است و افت ولتاژ دو سر مقاومتRz غالب‌تر اسـت. در نتیجـه جریان عبوری را می‌توان توسط رابطه‌ای خطی با ولتاژ تقریب زد. معادله زیر این رابطه را نشان می‌دهد:

4-1() Jr = E/r در این ناحیه ولتاژهاي ظاهر شده در پایانه‌های برق‌گیر اضافه ولتاژهاي با دامنه‌های خیلی بـالا می‌باشند کـه اضـافه ولتاژهای صاعقه نمونه‌ای از آن‌ها هستند. جریان عبوري از برق‌گیر در این ناحیه حدوداً از دو کیلو آمپر تا 100 کیلو آمپر تغییر نموده و مؤلفه اصلی جریان عبوري از برق‌گیر مؤلفه مقاومتی جریان ((IR خواهد بود.

1-2-2- اختلال در مشخصه‌های برق‌گیرهای اکسید روي

مشخصه وریستورهاي برق‌گیر ZnO در اثر عوامل زیر می‌توانند دستخوش اختلال گردند:

ـ واکنش‌های شیمیایی با مواد پیرامون

وقتی که مواد پیرامون وریستورها شامل مولکول‌های گازي خاص باشند، واکنش‌های شیمیایی می‌تواند رخ دهد. این گازها می‌توانند به علت تخلیه‌های جزئی در داخل محفظه برق‌گیر به وجود آیند. با استفاده از طراحی‌های مناسب مانند استفاده از پوشش‌های محافظ برای سطح وریستورها می‌توان از بروز این امر اجتناب نمود.

ـ تنش‌های ولتاژي ناشی از ولتاژ کار دائم در دماي محیط

فشار الکتریکی وارد بر مقاومت‌های برق‌گیر در درازمدت، عمر و دوام برق‌گیرها را تقلیل داده و موجبـات انحـراف تـدریجی منحنی ولت ـ آمپر را فراهم می‌سازد. به‌منظور مقابله با شدت میدان الکتریکی فرکانس شبکه، انجام پـیش بینی‌های خـاص در سـاختمان برق‌گیرها و کاهش شدت میدان الکتریکی و توزیع یکنواخت آن در طول ستون مقاومت‌ها ضروري می‌باشد. استفاده از حلقه‌های توزیع شدت میدان الکتریکی در این‌گونه موارد می‌تواند به‌طور قابـل ملاحظه‌ای در توزیـع یکنواخت‌تر میدان‌های الکتریکـی پیرامـونواریستورها مؤثر باشد.

ـ تغییر درجه حرارت مقاومت‌های برق‌گیر

همان‌طور که در شکل 4-1() نشان داده شد و در رابطه (1-2) نیز ملاحظه گردید در ولتاژ کار دائم برق‌گیر، مؤلفهIR و به دنبال آنتوان تلفاتی برق‌گیر با افزایش دما با ضریبی بزرگ‌تر از یک افزایش می‌یابد. تـوان اتلافـی در بلوک‌های برق‌گیر از طریـق محفظـه و اتصالات برق‌گیر به محیط اطراف منتقل می‌شود. براي اینکه پایداري حرارتی حفظ شود باید توان منتقل شده بـه محـیط بـراي یـک دماي مشخص بیش از مجموع توان ورودي در اثر تلفات توان و تشعشعات حرارتی ممکنه باشد.

1-3- شمارنده موج ضربه

شمارنده موج ضربه به‌صورت سري با هادي اتصال زمین برق‌گیر قرار گرفته و در هنگام تخلیه امواج ضـربه از طریـق برق‌گیر از خود واکنش نشان داده و به‌وسیله یک شمارنده الکترومکانیکی اقدام به ثبت تخلیه می‌نمایند. شمارنده‌های امواج ضـربه بـه دو منظور همراه با برق‌گیر مورد استفاده قرار می‌گیرند: اول اینکه آن‌ها قادر هستند تعـداد ضـربات صـاعقه و امـواج ضـربه گـذاریی کـه بـر روی تجهیزات وارد می‌شوند را نمایش دهند و دوم اینکه با کنترل تعداد ثبت شده توسـط شـمارنده ضـربه در پریودهـاي زمـانی مشـخص می‌توان از سلامت برق‌گیر مطلع گشت. تعداد ضربات از طریق یک شمارنده الکترومکانیکی که تنها جزء متحرك شمارنده موج ضربه است، قابل رؤیت می‌باشد. سایر اجزاي شمارنده موج ضربه از اجزاي استاتیک تشکیل شده‌اند.

شمارنده‌های موج ضربه معمولاً براي ارتفاع تا 3000 متر بالاتر از سطح دریا و براي شرایط محیطی با دمايºc 04- تـاºc 70+ درجه سانتی‌گراد قابل استفاده هستند.

کلیه اجزاي شمارنده موج ضربه در داخل یک محفظه ضدآب قرار می‌گیرند. این وسایل قبل از مونتـاژ تحـت آزمون‌های ویژه‌ای قرار می‌گیرند تا از عملکرد صحیح اجزاي آن‌ها و همچنین کل تجهیز اطمینان حاصل گردد.

اصول کاري انواع متداول شمارنده‌های موج ضربه تقریباً یکسان می‌باشد. تنها تفاوت عمـده در نـوع مـدار مـورد اسـتفاده برای برآوردن هدف مورد نظر می‌باشد. سه نمونه از مدارهاي مورد استفاده جهت انجام این کار در شکل‌های (1-5)، 6-1() و 7-1() نشـان

 شکل 1-5: مدار نوعی جهت ثبت تخلیه از طریق برق‌گیر

 شکل 1-6: مدار نوعی دیگري جهت ثبت تخلیه از طریق برق‌گیر

1. خازن وریستور

2. مشخصه وریستور غیرخطی

3. هدایت ناشی از آلودگی سطح عایق خارجی

4. قوس جزئی

5. خازن به زمین

6. شمارنده موج ضربه

شکل 1-7: مدار نوعی جهت ثبت تخلیه و جریان نشتی برق‌گیر

نحوه عملکرد مدار شکل 5-1() به شرح ذیل است:

در این مدار جریان تخلیه برق‌گیر از طریق خازن 1C به زمین منتقل می‌گردد. فاصله هـوایی 1Fs داراي ولتـاژ جرقه‌ای در حـدود500 ولت بزرگ‌تر از ولتاژ جرقه فاصله هوایی 2Fs است. در نتیجه فاصله هوایی 2Fs در ابتدا به تخلیه مـوج ضـربه از طریـق برق‌گیر واکنش نشان داده و اقدام به تخلیه خازن 1C از طریق خازن 2C و مقاومتRA می‌کند. ولتاژ خازن 1C با ادامـه عبـور جریـان از آن افزایش می‌یابد تا حدي که ولتاژ دو سر آن به میزان ولتاژ شکست فاصله هوایی 1Fs می‌رسد و منجر به جرقه در این فاصـله هـوایی می‌گردد. در اثر این پدیده بار باقی مانده در خازن 1C از طریق 1Fs تخلیه می‌گردد و ولتاژ خازن 2C نیز از این طریق تخلیه می‌گردد.

در طی فرایند کاهش جریان تخلیه خازن 2C، جریان عبوري از مقاومت غیرخطیRA نیز کاهش یافته و در نتیجه منجر به افزایش مقاومتRA گشته تا حدي که سبب خاموش شدن قوس ایجاد شده در فاصله هوایی 2Fs می‌گردد. به‌موجب این وضعیت کلیـه بار باقی مانده در 2C مجبور بـه تخلیـه از طریـق بـوبین شـمارنده الکترومکـانیکیL می‌گردند و ایـن امـر موجـب واکـنش شمارنده الکترومکانیکی و افزایش یک پله در ارقامش می‌شود. حداقل بار مورد نیاز براي واکنش بوبین شمارنده الکترومکانیکی در حـدود3/0 میلی کولن می‌باشد و حداقل زمان واکنش لازم براي شکست فاصله هوایی 1Fs در حدود 3/0 میکرو ثانیه به ازاي شیب موج ضربه‌ای جریانی معادل با kA/μs 5 می‌باشد.

نحوه عملکرد مدار نشان داده شده در شکل 6-1() نیز به شرح ذیل می‌باشد:

در این مدار براي مشاهده جریان تخلیه برق‌گیر از یک بوبین حساس به‌اندازه و شکل موج خاصی از جریان تخلیه استفاده گردیده است. قسمت‌های اصلی این شمارنده موج ضربه عبارت‌اند از: مبدل موج ضربه، پل یکسو ساز، خازن، سوئیچ حساس به ولتاژ (مانند یک دیود) و شمارنده الکترومکانیکی.

جریان عبوري از طریق برق‌گیر اکسید فلز توسط مبدل موج ضربه به سایر اجزاي مدار منتقل می‌گردد. جریان ثانویـه ایـن مبدل توسط یک پل دیودي یکسو شده و از خازنC مدار عبور داده می‌شود. عبور جریان مورد نظر از خازن سبب افزایش ولتاژ دو سـر آن می‌گردد تا زمانی که این ولتاژ به یک حد خاص می‌رسد کـه پـس از آن کلیـد حسـاس بـه ولتـاژ عمـل نمـوده و بـوبین شمارنده الکترومکانیکی را به دو سر خازن متصل می‌کند، این امر موجب عبور جریان از این بوبین و واکنش شمارنده می‌گردد و بـدین وسیله یک پله به اعداد شمارنده اضافه می‌گردد.

معیار نوعی افزایش پله‌های شمارنده این نوع خاص از شمارنده موج ضربه در شکل 8-1() نشان داده شده اسـت. ناحیـه پـایین این منحنی به‌منزله عدم عملکرد شمارنده است.

این نوع از شمارنده‌های موج ضربه می‌توانند داراي یک مبدل جریان ثانویه جهت اندازه گیري جریان دائم عبـوري از برق‌گیر نیز باشند. این مبدل توسط مدار ویژه‌ای امکان قرائت جریان دائم عبوري از برق‌گیر را در شرایط کار (از طریق پنجره شمارنده موج ضربه) را فراهم می‌نماید که این نمونه در شکل 7-1() آورده شده است.

همان‌طور که اشاره شد شمارنده موج ضربه نشان داده شده در شکل 7-1() داراي دو روش تشخیص خطا در برق‌گیر می‌باشد کـه عبارت‌اند از:

الف- استفاده از یک شمارش گر جهت شمارش موج ضربه جریان تخلیه مانند مدار شکل‌های 5-1(و) 6-1().

ب - اندازه گیر جریان جهت اندازه گیري کل جریان نشتی گذرنده از برق‌گیر.

قبل از نصب شمارنده موج بر روي برق‌گیر می‌توان جهت اطمینان از صحت عملکرد آن، آزمون شـمارنده را در محـل انجـام داد. براي انجام این کار با استفاده از یک منبعdc یک خازن به ظرفیت حدودμF 5/0 را تا ولتاژ حداقلkV 2 شارژ نموده و سپس آن را از طریق شمارنده موج ضربه تخلیه می‌کنند. در صورت سالم بودن شمارنده می‌بایستی به ارقام شمارنده یک پله اضافه گردد.

شکل 1-8: معیار عدم افزایش در شماره‌های برق‌گیر