سیستم حفاظت در برابر صاعقه با کمک ترمینال هوایی ESE

1-    نیاز به حفاظت (ارزیابی ریسک)

نیاز به حفاظت بر مبنای پارامترهای زیادی از جمله چگالی صاعقه در منطقه مشخص می شود. یک روش آنالیز ریسک در ضمیمه A استاندارد NFC 17-102 : 2011 پیشنهاد شده است که میتوان از آن کمک گرفت. تراکم صاعقه در ضمیمه B  همین استانداردآورده شده، یا از طریق اطلاعات محلی شامل آمار و نقشه بدست می آید.

2-   اجزاي سيستم حفاظت در برابر صاعقه

تأسيسات حفاظت در برابر صاعقه شامل اقلام زير مي باشد:

1. يک يا چند ESEAT

2. اجزا اتصال

3. يک يا چند هادي مياني

4. يک اتصال تستي براي هر هادي مياني

5. يک ترمینال زمین برای هر هادی میانی

6. الکترود زمین فونداسیون

7. کابل قدرت الکتریکی

8. جعبه توزیع قدرت الکتریکی همراه با SPD

9. جعبه توزیع مخابراتی همراه SPD

10. کابل مخابراتی همراه SPD

11. يک يا چند میله اتصال دهنده هم پتانسيل ساز

12. يک يا چند اتصال دهنده هم پتانسيل ساز میان ترمینال های زمین

13. اتصال دهنده قابل جداکردن

14. يک يا چند اتصال دهنده هم پتانسيل ساز (بطور مستقیم یا از طریق اسپارک گپ)

15. میله اصلی زمین

16. تجهیزات الکتریکی

17. لوله فلزی

18. یک یا چند اتصال هم پتانسیل ساز از طریق اسپارک گپ برای آنتن هوایی

3-  سیستم حفاظت در برابر صاعقه ESE

1-3  طراحی

طراحی موقعیت ترمینال هوایی، مسیر هادی میانی و موقعیت و نوع سیستم ارت

این طراحی باید بر مبنای اطلاعات موجود صورت گیرد:

-        شکل و شیب سقف

-        جنس مصالح سقف، دیوارها و سازه های داخلی

-        بخش های فلزی سقف و بخش های فلزی خارجی مهم مانند داکت گاز، تجهیزات تهویه هوا، نردبان ها، مخزن آب و ...

-        لوله های آب و و لوله های تخلیه آب باران

-        بخش های برجسته ساختمان و مصالح مصرفی در ساخت آنها

-        بخش های با بیشترین میزان آسیب پذیری: نقاط برجسته و نوک تيز مخصوصاً برج ها يا سقف های مخروطی ، دودکش ها  و مجاري خروج بخار، ناودان هاي پشت بام،  لبه هاي ساختمان، پله هاي نردباني فلزي و اتاقهاي تجهيزات روي بام هاي مسطح.

-        موقعیت قرارگیری داکت فلزی (آب، برق، گاز و ...) در ساختمان

-        موانع نزديک صاعقه گيرکه روي مسير صاعقه اثر مي گذارند مانند سيم هاي خطوط برق هوایی، حصارهاي فلزي، درختان و مانند آنها

-        شرايط محيطي که شديداٌ خورنده هستند مثل هواي نمک دار، سایت پتروشيمي، سازه هاي سيماني و غيره.

-        حضور مصالح قابل اشتعال یا تجهیزات حساس مثل کامپیوترها یا تجهیزات الکترونیکی، تجهیزات با ارزش.

2-3  ترمینال ESE

1-2-3  اصول کلی

هادي صاعقه گير ESE (ESEAT) شامل يک ترمينال هوايي نوک تيز، يک سیستم انتشار دهنده و پايه نگهدارنده صاعقه گير است که هادي نزولی مياني به آن متصل مي باشد.

منطقه محافظت شده توسط ESEAT طبق بند 3-2-2 تعیین می شود.

ESEAT باید ترجیحاً در بلندترین نقطه سازه نصب شود. باید در بالاترین نقطه منطقه مورد حفاظت قرار گیرد.

2-2-3  راندمان ESEAT

ESEAT از طریق راندمان ( ΔT )   آن که از طریق تست بدست می آید دسته بندی می شود (به ضمیمه C استاندارد مراجعه شود). بیشترین مقدار  ( ΔT ) ، با هر نتیجه ای که از آزمایش آید، 60 میکرو ثانیه می باشد.

3-2-3  تعیین موقعیت ESEAT

  1-3-2-3 منطقه حفاظت شده

منطقه محافظت شده با یک سطح از دایره که با استفاده از شعاع حفاظتی (که به ارتفاع (h)  و محوری که با محور یکی از صاعقه گیرها یکی است بستگی دارد) تعریف می شود، تعیین می شود (شکل 2).

که در آن:

hn :  ارتفاع نوک ESEAT از بالای سطح افقی دورترین نقطه شی مورد حفاظت.

Rpn: شعاع حفاظتی ESEAT بسته به ارتفاع

شکل 2 – شعاع حفاظتی (با فرض5 = h1)

2-3-3-3 شعاع حفاظتی

شعاع حفاظتی یک ESEAT بستگی به ارتفاع (h) آن، بسته به بخش مورد حفاظت، راندمان و سطح حفاظتی انتخاب شده (همچنین می توانید به ضمیمه A مراجعه نمایید).   

که در این فرمول ها:

 (m)(h) Rp : شعاع حفاظتی در ارتفاع h مشخص

(m)h: ارتفاع نوک ESEAT از بالای سطح افقی دورترین نقطه شی مورد حفاظت.

R(m) : 

               20 متر برای سطح حفاظتی I

              30 متر برای سطح حفاظتی II

              45 متر برای سطح حفاظتی III

              60 متر برای سطح حفاظتی IV

تجربه ثابت کرده که Δ برابر با مقدار راندمان بدست آمده از تست سنجش ESEAT می باشد.

برای ساختمان های بلندتر از 60 متر، از الزامات مطرح شده در 4.3.2.5 باید پیروی شود.

3-3-2-3  انتخاب و تعیین موقعیت ESEAT

برای نصب هر سیستم حفاظت در برابر صاعقه، تحلیل خطر برای تعیین حداقل سطح حفاظتی مورد نیاز باید صورت گیرد.

موقعیت قرارگیری ESEAT طبق بندهای 3-2-1 و 3-2-5 صورت می گیرد.

شعاع حفاظتی برای ساختمان طبق مشخصات ساختمان تعیین می شود.

ارتفاع و راندمان ESEAT با توجه به نکته ها و فرمول های اشاره شده در بالا بدست می آیند.

4-3-2-3 محافظت از سازه های بلند (بلندتر از 60 متر)

حفاظت اضافی در برابر ضربات صاعقه برای 20 درصد بالایی ارتفاع ساختمان در ساختمان های بالای 60 متر یا هر نقطه ای بالای 120 متر، با استفاده از ESEAT یا هر وسیله دیگری باید طبق استاندارد بر روی هرنمای خارجی اجرا شود. علاوه بر آن حداقل 4 هادی میانی، که در صورت امکان از طریق یک هادی حلقه به هم متصل شده اند، باید بکار گرفته شوند که باید پیرامون محیط و در صورت امکان در همه گوشه های ساختمان توزیع شوند.

نکته: در کل خطر وقوع صاعقه های جانبی بسیار ناچیز می باشد چرا که تنها درصد کمی از صاعقه ها به کناره ساختمان برخورد می کنند.

5-3-2-3 حفاظت از ساختمان های با سطح حفاظتی  

سطح حفاظتی : سیستم ESE با سطح حفاظتی 1 دارای اتصالات اضافه به بخش های فلزی سازه علاوه بر هادی های نزولی در نظر گرفته شده در سیستم ESE مطابق بند 3.5 می باشد. اتصال به هادی های نزولی باید در دو سطح سقف و زمین در نظر گرفته شود. زمانی که هادی های میانی در سقف بهم متصل نشده باشند، می توان از یک هادی حلقوی که در سقف قرار می گیرد به منظور برآورده ساختن این الزامات استفاده نمود. هادی های میانی چه با یک حلقه زمین و جه با کمک هادی باید در سطح زمین بهم متصل باشند.

اگر هیچ هادی نزولی از قبل موجود نباشد (مثل بخش های فلزی سازه) یا یکی از شرایط ذکر شده در بالا برآورده نشود، نمی توان به سطح  رسید.

سطح حفاظتی: سقف در سطح حفاظتی  با یک ESEAT با شعاع کاهش یافته 40 درصدی در مقایسه با مقادیر داده شده در 2.3.2.5، برای حفاظت کامل سقف در برابر ضربات مستقیم صاعقه، محافظت می شود.

4-2-3  ابعاد و مصالح

تمام مصالح باید از EN 50164-2 تبعیت کنند.

5-2-3  روند نصب

نوک ESEAT باید حداقل 2 متر بالاتر از سطح حفاظت شده (شامل مخازن، برج ها و ...) قرار گیرد.

زمان طراحی از دید معماری شناسی محل قرار گیری مناسب برای ESEAT را بررسی کنیم. نقاط قرار گیری دارای ارتفاع بالا و شامل موارد زیر می شود:

-        اتاقک های روی تراس

-        لبه ها

-        دودکش های با مصالح بنایی یا فلزی

ESEAT  برای مناطقی که نیاز به محافظت دارند (مثل زمین های ورزشی، گلف، استخر ها و ...) بر روی پایه هایی همچون دکل های روشنایی یا هر سازه دیگری که اجازه نصب ESEAT را برای پوشش منطقه بدهد، نصب می شود.

ESEAT را در برخی موارد می توان بر روی دکل های ساده نصب نمود. استفاده از conductive guy wires مستلزم هم بندی آن با هادی های میانی با استفاده از هادی های مشخص شده در EN 50164-2 در محل انکر بولت در زمین می باشد.

3-3  هادی های میانی

1-3-3  اصول کلی

هادي نزولی براي عبور جريان صاعقه از سيستم ترمينال هوايي به سيستم زمين طراحي شده است. هادي نزولی بايد خارج از ساختمان نصب گردد.

همه هادی های نزولی از طریق سیستم های اتصال واقع شده بر دکل به ESEAT وصل می شوند. از طریق کلمپ مکانیکی که اتصال مطمئن را تضمین کند.

زمانی که هادی نزولی بر روی دیواری که از مصالح قابل احتراق ساخته شده، قرار گیرد، و از جنس مسی نیز نباشد، برای جلوگیری از افزایش دمای خطرناک باید حداقل یکی از شرایط زیر برآورده شود:

-        فاصله جدایی آنها حداقل 0.1 متر باشد؛

-        مقطع هادی حداقل 100 میلیمتر مربع باشد.

برای آنکه بعنوان دو هادی نزولی مجزا در نظر گرفته شوند، نباید به صورت موازی (موازی به معنی وجود یک فاصله در طول یک خط مستقیم به طول بیش از 2 متر بین هادی های میانی می باشد) نصب شوند. برای کنترل هر مشکل عملیاتی محتمل الوقوع، یک تلرانس 5 درصدی از کل طول سیم هادی میانی کوتاه تر را می توان در طول همان مسیر ادامه دهیم. 

2-3-3  تعداد هادی های نزولی

برای سیستم ESE غیر ایزوله، هر ESEAT باید به حداقل دو هادی نزولی متصل باشد. برای توزیع بهتر جریان، دو هادی بهتر است از دو نمای جداگانه به پائین انتقال داده شوند مگر در صورت فورس ماژور بودن پروژه.

حداقل یکی از آنها باید از EN 50164-2 تبعیت کنند چرا که ممکن است برخی مولفه ها بدون توجه به اینکه متعلق به سیستم حفاظت در برابر صاعقه می باشند، برداشته شده یا تغییراتی در آنها اعمال شود. زمانی که تعداد زیادی ESEAT در یک ساختمان واقع می شوند این هادی ها می توانند بر هم اثرات متقابلی داشته باشند. بنابراین اگر تعداد n عدد ESEAT بر روی سقف محاسبه شده، نیازی به در نظر گرفتن 2n هادی نزولی نبوده اما تعداد n عدد اجباری می باشد.

تعداد هادی های نزولی طبق EN 50164-2 نباید از تعداد صاعقه گیرهای ESEAT کمتر باشد. فاصله میان هادی ها، در تعیین تعداد هادی های مورد نیاز و برقراری ارتباط میان هادی های نزولی نقش تعیین کننده دارد. افزایش تعداد هادی های میانی موجب کاهش فاصله بین هادی ها می شود.

نمونه هایی از محاسبه این فاصله مبتنی بر تعداد هادی ها در ضمیمه E آورده شده.

در صورت استفاده از سیستم ESE ایزوله، حداقل یک هادی نزولی برای هر ESEAT نیاز داریم.

 در صورت استفاده از دکل های فشار قوی ، دیرک ، دودکش ها و سایر سازه های فلزی داریم:

-        اگر سازه های فلزی الزامات natural component را برآورده سازد، میتواند نقش هادی نزولی اول را ایفا نماید.

-        اگر سازه ایزوله شده باشد، (سازه) می تواند بعنوان تنها هادی نزولی استفاده شود و به هادی دیگری نیاز نخواهیم داشت.

-        اگر سازه ایزوله نباشد، سازه را می توان به عنوان دو هادی نزولی با سطح مقطع حداقل mm² 100در نظر گرفت. اگر سطح مقطع بین mm² 50 و mm² 100 باشد، طبق EN 50164-2 به یک هادی میانی دوم نیاز خواهیم داشت. سازه ای که الزامات natural component را برآورده نمی سازد را نمی توان به عنوان هادی در نظر گرفته و به یک یا دو هادی نزولی نیاز خواهیم داشت.

نکته: natural component باید امپدانس پائین و ماندگاری داشته داشته باشد. شاید برای دست یابی به چنین امپدانسی طبق EN 50164-2 لازم باشد یک هادی نزولی اضافه کنیم.

3-3-3 مسیر کابل کشی

هادي نزولی بايد به گونه اي نصب شودکه کوتاهترین و مستقیم ترین اتصال به سیستم زمین را داشته باشد  در تعيين مسير هادي مياني بايد موقعيت ترمينال زميني در نظر گرفته شود و بايد مستقيم ترين و در عين حال کوتاهترين مسير بدون انحناهاي شديد باشد. همچنين خمیدگیها و انحناها نبايد کمتر از 20 سانتيمتر باشد (شکل 4 را ببينيد). براي تغيير مسير هادي هاي نزولی ترجيحا از انحناهاي رو به پهلو استفاده شود.

هاديهاي نزولی نبايد از طول يا عرض مدارهاي الکتريکي عبور کنند.  اما اگر قطع کردن مدار الکتريکي غير قابل اجتناب است، مدار الکتريکي بايد درون يک حفاظ فلزي که تا يک متر اطراف نقطه تقاطع گسترش دارد قرار گيرد. حفاظ بايد به هادي نزولی وصل شود.

در تعيين مسير هادي مياني بايد از ديواره هاي کوتاه يا گچبري هاي ساختمان اجتناب شود و تمهیداتي جهت اطمينان از انتخاب مستقيم ترين مسير انجام شود ولي عبور هادي مياني از روي ديواره هاي کوتاه، حداکثر افزايش ارتفاع 40 سانتيمتري با شيب 45 درجه يا کمتر مجاز مي باشد (شکل 4 مورد e).

محاسبه فاصله جدایی، طبق 6.5 با     بسته به مورد f در زیر دیده می شود، در تعیین حداقل شعاع خم کمک کننده است.

در شکل 4، مورد d شرایط      همیشه برآورده می شود، چرا که برای هر طولی از L داریم:   

L: طول حلقه بر حسب متر

   d: عرض حلقه بر حسب متر

در صورتی که  l/20< d  برآورده شود، خطر خرابی دی الکتریک را نخواهیم داشت.

براي مهار کردن هادي نزولی بايد در هر متر از سه بست استفاده نمود. اين بست ها بايد براي مهار هادی مناسب بوده و نصب آنها نبايد در سقف سبب سوراخ شدن و نفوذ آب گردد. اين بستها نبايد مانع انبساط گرمايي هادي نزولی شوند.

تمامي هاديهاي نزولی بايد با استفاده از گيره هايي از جنس هادي يا پرچهاي محکم و لحيم کاري  به يکديگر متصل گردند. تا جائيکه ممکن است بايد از مته کاري در طول هادي نزولی اجتناب شود.

هادي نزولی بايد تا ارتفاع دو متری از سطح  زمین در برابر خطر ضربه خوردن محافظت شود بدین منظور هادی نزولی از درون یک حفاظ عبور داده می شود .

4-3-3  تعيين مسير در داخل ساختمان

زماني که نماي خارجي ساختمان امکان عبور هادي نزولی را نمي دهد، مي توان هادي نزولی را از داخل کانالها و مجراهاي مخصوص خدمات به صورت کامل از بالا تا پايين ساختمان و يا قسمتي از ساختمان عبور داد. در این حالت، هادی نزولی باید درون یک داکت غیر قابل اشتعال و ایزوله شده قرار گیرد.

فاصله میان هادی ها باید برای هادی های داخلی نیز محاسبه شود تا سطح عایق داکت ها را با توجه به آن تعیین کنیم.

متصدی ساختمان باید از مشکلات مربوط به تعمیر و نگهداری هادی های نزولی، و خطرهای ناشی از اضافه ولتاژ در داخل ساختمان مطلع گردد.

از دسترسی افراد به کانال کابل ها در دوره های طوفانی جلوگیری شود و یا اقدامات لازم در رابطه با هادی های نزولی خارجی شامل همبندی کف با هادی های نزولی صورت گیرد.

5-3-3 نمای ساختمان

هنگامي که نمای ساختمان پوشش فلزي، يا ديواره از سنگ و شيشه داشته باشد، هادي بايد پشت اين روکش ساختمان به ديوار بتوني ويا بخش تحمل کننده بار ساختمان متصل شود.

هادی میانی (در صورتی که مسی نباشد) باید در فاصله بیش از 10 سانتی متر پشت ماده غیر قابل اشتعال نمای فلزی قرار گیرد (اگر سطح مقطع آن کمتر از mm²100 باشد). برای حالتی با سطح مقطع mm²100 یا بیشتر، نیازی نیست میان هادی ها و مصالح عایق فاصله ای در نظر گرفته شود.

6-3-3  جنس و ابعاد

به EN 50164-2  مراجعه شود.

7-3-3 ترمينال تست

بايد براي هر هادي نزولی يک اتصال تستي قرار داده شودکه براي قطع ارتباط هادي با سيستم ترمينال زميني به کار مي رود.

اتصال تستي معمولا زیر هادي مياني نصب مي گردد. زماني که سيستم حفاظت در برابر صاعقه، برروی سازه فلزی قرار گیرد يا هادي مياني خاصي نداشته باشد، اتصال تستي بين هر سيستم ارت زميني و اجزای  فلزي ساختماني که سيستم زمين به آن متصل است قرار داده می شود.  اتصال تستي در داخل محفظه اي که روي آن علامت ارت دارد قرار مي گيرد .

8-3-3 شمارنده تعداد صاعقه

زمانی که از شمارنده تعداد صاعقه استفاده می شود، بايد روي مستقيم ترين هادي نزولی قرار گیرد. باید از EN 50164-6 تبعیت کند.