سیستم حفاظت در برابر سرج برای سیستم های انرژی

ولتاژهای سرج بسیار بزرگ عمدتا ناشی از برخورد صاعقه به سیستم های انرژی یا در نزدیکی آن هستند. حتی در صورتی که صاعقه چند صد متر دورتر برخورد کند، جریان های صاعقه می توانند از طریق کوپلینگ خازنی،  القایی، یا گالوانیک باعث ایجاد ولتاژهای سرج ممنوعه در حلقه های هادی شوند. ولتاژهای بزرگ سرج تا شعاع ۲ کیلومتری با سیستم کوپل می شوند. عملیات سوئیچینگ که شامل بارهای القایی می شود باعث ایجاد ولتاژهای سرج خطرناک در شبکه های برق فشار متوسط و فشار ضعیف می شود. به منظور حصول اطلاعات بیشتر در مورد انواع آسیب ها (S1 تا S4) به بخش 1.3 مراجعه کنید.

 استاندارد بین المللی حفاظت در برابر صاعقه IEC62305 نحوه ی جذب ایمن برخوردهای صاعقه را تا جریان ۲۰۰ کیلو آمپر شرح می دهد. این جریان به سیستم ارتینگ وصل شده، و به خاطر افت ولتاژ در مقاومت زمین، نیمی از جریان صاعقه به تاسیسات داخلی کوپل می شود. سپس این بخش از جریان صاعقه در میان خطوط برق که وارد ساختمان می شوند به تعداد هسته های خطوط برق ورودی به ساختمان تقسیم می شود، و در عین حال حدود ۵٪ از این جریان نیز وارد کابل های دیتا می شود. افت ولتاژ در مقاومت ارتینگ با ضرب آن بخش از جریان صاعقه که وارد زمین می شود (i) در مقاومت ارتینگ (R) حاصل می شود. مقدار به دست آمده برابر با اختلاف پتانسیل بین ارت محلی (هم بندی هم پتانسیل سازی) و کابل های برقدار است، که در محلی دورتر زمین شده اند.

بزرگ ترین ولتاژهای سرج ناشی از برخوردهای صاعقه هستند. مطابق استاندارد VDE018305) IEC62305)، برخوردهای صاعقه با جریان های سرج صاعقه با مقدار ماکزیمم ۲۰۰ کیلوآمپر و شکل موج 10/350us شبیه سازی می شوند.

سوئیچینگ به خاطر قطع و وصل کردن بارهای سلفی و خازنی بزرگ، اتصال کوتاه، و وقفه در سیستم برق ایجاد می شود، این موارد، عامل اصلی ولتاژهای سرج هستند. این نوع از ولتاژهای سرج، با جریان های سرج تا ۴۰ کیلو آمپر و شکل 8/20µs شبیه سازی می شوند. منابع آن عبارتند از موتورها، بالاست ها، و بارهای صنعتی.

تخلیه ی الکترواستاتیک به خاطر اصطکاک رخ می دهد. وقتی فردی روی فرش راه می رود، جداسازی بار رخ می دهد در این حالت جداسازی بار برای افراد خطری ندارد. ولی این رویداد می تواند باعث تداخل شده و تجهیزات الکترونیکی را از بین ببرد. در این موارد استفاده از هم بندی هم پتانسیل سازی برای جلوگیری از جداسازی بار ضروری است.

ولتاژهای سرج موقت، یا گذرا ناشی از خطا در شبکه ی برق هستند. برای مثال، قطع شدن کابل نول می تواند باعث افزایش غیرمجاز ولتاژ در سیستم برق سه فاز شود. ولتاژ از مقدار مجاز نامی بیشتر شده به وسایل الکترونیکی آسیب وارد می شود دستگاه های حفاظت در برابر سرج نمی توانند از تجهیزات الکترونیکی در برابر این خطاهای طولانی مدت که در فرکانس شبکه رخ می دهند حفاظت کنند. خطاهایی که در فرکانس شبکه رخ می دهند، ممکن است بین چند ثانیه تا چند ساعت دوام داشته باشند.
 

 بخش ۴ از استاندارد حفاظت در برابر صاعقه IEC62305 ( VDEO185-305) نحوه ی حفاظت از سیستم های الکتریکی و الکترونیکی را شرح می دهد. استانداردهای ایمنی و تاسیسات (VDE0100) IEC60364 این الزام را ایجاد می کنند که از حفاظت در برابر ولتاژ سرج به عنوان معیاری حفاظتی در سیستم های فشار ضعیف استفاده شود.

 اثبات شده است که مفهوم منطقه ی حفاظت در برابر صاعقه (LPZ) که در استاندارد 4- VDEO185-305-4) IEC62305) شرح داده شده است، عملی و کارآمد است. مفهوم منطقه ی حفاظت در برابر صاعقه مبتنی بر اصل کاهش تدریجی ولتاژ سرج تا سطحی امن قبل از رسیدن به دستگاه نهایی و وارد آمدن آسیب است. به منظور رسیدن به این شرایط، كل شبکه ی انرژی یک ساختمان باید به مناطق حفاظت در برابر صاعقه دسته بندی شود.

یک منطقه، ناحیه یا بخشی از ساختمان است که در آن تمام تجهیزات نیازمند سطح یکسانی از حفاظت هستند. هم بندی همپتانسیل سازی در هر گذار از منطقه ای به منطقه ی دیگر انجام می شود. بخش های فلزی مستقیما به هم بندی هم پتانسیل سازی وصل می شوند، در حالی که حفاظت سرج متناظر با کلاس مربوطه (نوع ۱، ۲، یا ۳) بین هادی های برقدار و پتانسیل زمین وصل می شود.

•کم کردن ولتاژهای کوپلینگ سرج به دیگر کابل های سیستم با گرفتن جریان های خطرناک صاعقه که سرشار از انرژی هستند. این اتفاق دقیقا در ورودی ساختمان و در نقطه ی ورود کابل و گذار بین مناطق حفاظتی رخ می دهد.

• هم بندی هم پتانسیل سازی محلی داخل منطقه ی حفاظتی

• کاهش نقص ناشی از میدان های مغناطیسی

• مفهوم حفاظت انعطاف پذیر، سهولت در برنامه ریزی، و اقتصادی برای ساختمان های جدید و قدیمی و تغییر کاربری ها.

مطابق با استاندارد 11- SPD ،(VDE0675-6-11) IEC61643 های OBO (سرج ارسترهای OBO) به سه نوع کلاس تقسیم میشوند - نوع 1، نوع ۲، و نوع ۳ (کلاس های II، I و III). این استانداردها شامل مقررات، الزامات و تست های سرج ارسترهای مورد استفاده در شبکه های AC با ولتاژ نامی تا ۱۰۰۰ ولت AC و فرکانس های نامی بین ۵۰ و ۶۰ هرتز هستند.

ارسترهای صاعقه نوع ۱/کلاس ا در ورودی ساختمان به کار می روند. اتصال آن به خطوط برق خارج از ساختمان به صورت موازی است. برخورد مستقيم صاعقه با جریان ضربه ی تا ۱۰۰ کیلو آمپر با شکل موج 10/350us شبیه سازی می شود. سطح حفاظت باید کمتر از ۴۰۰۰ ولت باشد. با تامین کننده ی برق منطقه ای مشورت شود و مطابق با دستورالعمل VDN، می توان سرج ارستر را قبل از کنتور اصلی نیز نصب کرد.

سرج ارستر نوع ۲/کلاس II در تابلوی اصلی و فرعی به کار می رود. این تجهیزات باید قبل از RCD به کار روند، چرا که در غیر این صورت RCD جریان سرج را به عنوان جریان باقی مانده خواهد دید و مدار را قطع خواهد کرد. ولتاژهای سرج با پالس های ضربه ی تست که معمولا ۲۰ کیلوولت با شکل پالس 8/20µs هستند شبیه سازی می شوند. برای حفاظت از کنترلرهای حساس، سطح حفاظت باید کمتر از ۱۵۰۰ ولت باشد.

از سرج ارسترهای نوع ۳/کلاس III برای حفاظت در برابر کوپلینگ القایی و سرج های سوئیچینگ در مدار دستگاه های نهایی استفاده می شود. این ولتاژهای سرج عمدتا بین کابل فاز (L) و نول (N) رخ می دهند. مدار Y از خطوط Lو N با مدارات وریستوری حفاظت کرده و از طریق اسپارک گپ به خط PE وصل می شود. به لطف حضور این مدار حفاظتی، ولتاژهای سرج بدون این که RCD مدار را قطع کند، گرفته می شوند. ولتاژهای سرج در این نوع از ارسترها با ضربه های تست ترکیبی تا ۲۰ کیلوولت و ۱۰ کیلو آمپر با شکل پالس 1.2/50us و 8/20psm شبیه سازی می شوند. برای حفاظت از کنترلرهای حساس، سطح حفاظت باید کمتر از ۱۵۰۰ ولت باشد. مفهوم حفاظت در برابر ولتاژ سرج باید تمام اتصالات هادی را لحاظ کرده و به صورت سلسله مراتبی نصب شود. هر سطح از حفاظت باید در محل مقرر نصب شده و به نوبه خود بخشی از انرژی سرج را دفع می کند.

دسته بندی سرج ارسترها در نوع های مختلف به این معناست که از هر نوع اکلاس می توان با توجه به الزام خاصی که وجود دارد در موقعیت مناسب، سطح حفاظت مربوطه و جریان قابل تحمل استفاده کرد. جدول 3.3 مروری بر گذار از منطقه های حفاظت در برابر صاعقه را ارائه می کند. همچنین در این جدول نشان داده شده است که هر تجهیز از سرج ارسترهای OBO را می توان در کدام قسمت از شبکه نصب کرد و عملکرد مربوط به هر یک نیز ارائه شده است.

در شبکه ی TN-C، هر واحد الکتریکی از طریق سه خط خارجی (L1 L3 L2) و خط ترکیبی PEN تغذیه می شود. کاربرد آن در ۹VDE0100-534) IEC60364-5-53 شرح داده شده است (شکل 3.11).

ارسترهای جریان صاعقه نوع ۱ و ارسترهای ترکیبی در مدارهای ۳سيمه استفاده می شوند (به طور مثال ۳ عدد MCD50-B).

سرج ارسترهای نوع 2 در مدارات 1+3 به کار میروند (نظیر V20 3+NPE)) در مدارات ، 1+3 خطوط خارجی(L3,L2,L1) از طریق ارستر به کابل نول (N) وصل می شوند. کابل N از طریق اسپارک گپ به ارت حفاظتی وصل می شود.

سرج ارسترهای نوع ۳ در مدار دستگاه نهایی استفاده می شوند مدار Y از خطوط L و N با مدارات وریستوری حفاظت کرده و از طریق اسپارک گپ به خط PE وصل می شود (به طور مثال USM-A)

در شبکه ی TN-S و TT، واحد الکتریکی از سه خط خارجی (L3,L2,L1) کابل نول (N) و کابل ارت (PE) تغذیه میشود. نحوه ی کاربرد در استاندارد 11-VDE0100-534) IEC61643) شرح داده شده است.

•هم برای شبکه های TN و هم TT مناسب است
• بين خط N و خط PE از اسپارک گپ عایقی استفاده شده است

• سطح حفاظت ولتاژی پایین بین فاز و نول

ارسترهای جریان صاعقه نوع 1 در مدار 1+3 به کار برده می شوند (نظیر 3 ارستر MC50-B و یک ارستر MC125-BNPE). در مدارات 3+1, خطوط خارجی (L3,L2,L1) از طریق ارستر به کابل نول (N) وصل می شوند. کابل N از طریق اسپارک گپ به ارت حفاظتی وصل می شود با تامین کننده ی برق منطقه ای مشورت شود و مطابق با دستورالعمل ،VDN میتوان سرج ارستر را قبل از کنتور اصلی نیز نصب کرد.

سرج ارسترهای نوع ۲ در مدارات ۳۱ به کار می روند (نظیر V20 NPE+3). در مدارات ،۳۱ خطوط خارجی (1، 2، L3) از طریق ارستر به کابل نول (N) وصل میشوند.
کابل N از طریق اسپارک گپ به ارت حفاظتی وصل می شود. این تجهیزات باید قبل از RCD به کار روند چرا که در غیر این صورت RCD جریان سرج را به عنوان جریان باقیمانده خواهد دید و مدار را قطع خواهد کرد.

سرج ارسترهای نوع ۳ در مدار دستگاه نهایی استفاده می شوند. مدار Y از خطوط L و N با مدارات وریستوری حفاظت کرده و از طریق اسپارک گپ به خط PE وصل می شود ( به طور مثال ÜSM-A). این مدار حفاظتی که بین L و N قرار می گیرد مانع از عبور جریان های سرج ناشی از ولتاژهای متقاطع به سمت PE شده و لذا RCD جریان باقی مانده ای را به اشتباه شناسایی نمی کند. اطلاعات فنی مربوطه در این زمینه در صفحات محصولات قابل بررسی است.

 مقدار نامی تحمل ولتاژ برای هر دستگاه مطابق با استاندارد تاسیسات VDE0110) IEC60664 برای موقعیت های مختلف تاسیسات تعیین می شود. انتخاب سرج ارستر باید مطابق با هر دستگاه در برابر افزایش ولتاژ و سطوح حفاظتی تجهیزات حفاظت در برابر صاعقه و سرج هماهنگ شود. هماهنگی عایقی باید مطابق با استاندارد EN60664 (VDE0110) انجام پذیرد.

ولتاژ نامی سرج وابسته به نوع ولتاژ سرج است. به طور مثال در گروه I ولتاژ سرج برای اتصال های تک فاز به شبکه ی ۲۳۰ ولت AC، حداقل ولتاژ نامی سرج ۱.۵ کیلوولت است. یک ارستر ولتاژ سرج باید ولتاژ را به این مقدار یا مقداری کمتر از آن محدود کند.

استاندارد نصب برای تجهیزات حفاظت در برابر سرج IEC60364-5-53 (VDE0100-534)، حفاظت در برابر ولتاژهای سرج ناشی از برخوردهای غیر مستقیم و راه دور صاعقه و عملیات سوئیچینگ را پوشش می دهد. تجهیزات حفاظت در برابر سرج را با عنوان "تجهیزات حفاظت در برابر اضافه ولتاژ" نیز می شناسند. استاندارد، راهنمایی برای انتخاب و نصب SPD را به منظور کاهش قطع شدن برق در سیستم های فشار ضعیف ارائه می دهد.

در ساختمان هایی که مطابق استاندارد VDE0185-305) IEC62305) دارای سیستم اولیه ی حفاظت در برابر صاعقه هستند، باید از SPD های نوع ۱ به منظور اتصال خطوط خارج ساختمان به هم بندی هم پتانسیل سازی حفاظت در برابر صاعقه در محل گذار از منطقه ی ۰ به ۱ حفاظت در برابر صاعقه استفاده شود.
برای ساختمان هایی که فاقد سیستم های حفاظت در برابر صاعقه هستند، استاندارد 43-4-VDE0100-443) IEC60364)، زمان و نحوه ی استفاده از SPD را شرح می دهد.

طول کابل اتصالی برای SPDها جنبه ی مهمی از استاندارد تاسیسات VDE0100-534) IEC60364-5-53) است.
به منظور تضمین این که حفاظت از سیستم ها و تجهیزات به میزان کافی به عمل آمده است ماکزیمم ولتاژ سرج باید کمتر یا مساوی قابلیت تحمل دستگاه ها در برابر ولتاژ سرج باشد. مجموع سطح حفاظتی SPDها و افت ولتاژ روی خطوط تغذیه باید کمتر از ولتاژ قابل تحمل تجهیزات باشد. به منظور به حداقل رساندن افت ولتاژ روی خطوط تغذیه، طول، و لذا اندوکتانس کابل باید تا حد امکان پایین نگه داشته شود. استاندارد VDE0100-534) IEC60364-5-53) پیشنهاد می دهد که کل طول کابل اتصالی به SPD کمتر از ۰.۵ متر باشد و اصلا نباید بیشتر از ۱ متر باشد.
حداقل سطح مقطع های زیر باید برای همبندی هم پتانسیل سازی لحاظ شوند: برای سیم مسی ۱۶ میلی متر مربع، برای آلومینیومی ۲۵ میلی متر مربع و برای آهنی ۵۰ میلی متر مربع. در منطقه ی حفاظت در برابر صاعقه، در گذار از LPZ0B به LPZ1، تمام تاسیسات فلزی باید در سیستم هم بندی هم پتانسیل سازی تجمیع شوند. خطوط برقدار باید با استفاده از سرج ارسترهای مناسب ارت شوند.

در صورتی که SPD به خاطر ولتاژ سرج تریپ دهد، خطوط تغذیه، فیوز و تجهیز حفاظتی جریان سرج را عبور می دهند. این باعث ایجاد افت ولتاژ در امپدانس خطوط می شود. در این حالت مولفه اهمی نسبت به مولفه ی سلفی ناچیز است.

طول کابل های اتصالی حتما باید لحاظ شوند. به منظور اندوکتانس حاصل (L) افزایش سریع جریان منجر به افزایش زیاد ولتاژ میشود.
فرض: ۱ کیلوولت بر متر

در روابط فوق Udyn برابر با افت ولتاژ روی ،کابل، i برابر با جریان سرج، R برابر با مقاومت اهمی ،خط di/dt برابر با تغییرات جریان تقسیم بر تغییرات زمان و L برابر با اندوکتانس کابل است (فرض این است که هر متر کابل اندوکتانسی برابر با ۱ میکروهانری دارد).
افت ولتاژ دینامیک (Udyn) بر مبنای ضرب مولفه ی سلفی و تغییرات جریان بر حسب زمان (di/dt) به دست می آید. این سرج های گذرا تا چند ده کیلو آمپر هستند.

R+(di/dt)L×Udym=i
1µH×0.01 Ohm + (10kA/8µs)xUdyn=10 KA
Udyn=100V +1,250 V= 1,350 V

میتوان کابل ها را به شکل V نیز به SPDها وصل کرد. در این حالت از انشعاب مجزا برای اتصال به دستگاه های حفاظتی استفاده نمیشود.

کابل اتصال به تجهیز حفاظتی برای رسیدن به سطح حفاظت بهینه از اهمیت بسیار ویژه ای برخوردار است. مطابق با دستورالعمل های تاسیسات IEC طول کابل از انشعاب تا ارستر و از دستگاه حفاظتی تا همبندی هم پتانسیل سازی در هر حالت باید کمتر از ۰.۵ متر باشد. در صورتی که کابل ها طولانی تر از ۰.۵ متر باشند باید از اتصال V استفاده کرد.

ارسترهای جریان صاعقه و سرج عملکردهایی از خود نشان می دهند. سرج ارسترهای T2 که مبتنی بر تکنولوژی وریستور هستند، ولتاژهای سرج خطرناک را به سرعت محدود می کنند، در حالی که ارسترهای جریان صاعقه T1 قادرند جریان های سنگین صاعقه را نیز (که شامل جریان مستقیم صاعقه)  است تحمل کرده و بدون خراب شدن، این جریان ها را گرفته و زمین کنند. از این ارسترها باید به صورت هماهنگ استفاده کرد. این هماهنگی توسط طول کابل موجود یا ارسترهای خاص جریان صاعقه (سری MCD) تضمین می شود. برای مثال، در مجموعه ی حفاظتی، می توان از ارسترهای نوع ۱ و نوع ۲ (کلاس های B و C) در کنار یکدیگر استفاده کرد.

1. طول کابل بیشتر از ۵ متر

نیازی به دکوپلینگ اضافی نیست

2. طول کابل کمتر از ۵ متر
دکوپلینگ مورد استفاده : MC50-B VDE + LC 63 + V20-C

 MCD 50-B +V20-C 

نیازی به دکوپلینگ اضافی نیست (به طور مثال ست حفاظتی)

مطابق با استاندارد 3-5-60364 (534-VDE0100)، ارسترهای نوع ۱ یا 2+1 نیازمند سیم مسی مقطع ۱۶ میلی متر مربع هستند که قادر به حمل جریان صاعقه است. سرج ارسترهای نوع ۲ به حداقل مقطع ۴ میلی متر مربع برای سیم مسی، یا ۶ میلی متر مربع برای سیم افشان استاندارد تجاری نیازمندند. حداکثر جریان اتصال کوتاه نیز سیم که در محل نصب ممکن است رخ دهد باید لحاظ شود.

به منظور حفظ حفاظت در حالتی که اتصال کوتاه در SPD رخ می دهد، از یک فیوز پشتیبان (F2) استفاده می شود. OBO مقادیر ماکزیمم فیوز مورد نیاز را برای تمامی محصولات خود مشخص کرده است. در صورتی که فیوز بالا دست (F1) مقداری کمتر یا مساوی جریان ماکزیمم فیوز پشتیبان داشته باشد، نیازی به استفاده از فیوز مجزا/پشتیبان (F2) قبل از SPD نیست. اگر مقدار فیوز سیستم (F1) بیشتر از جریان ماکزیمم فیوز پشتیبان باشد، فیوزی متناظر با جریان ماکزیمم تعیین شده باید قبل از SPD قرار بگیرد. مقدار نامی فیوز (F2) که قبل از SPD قرار می گیرد باید تا حد امکان بالا باشد. مقدار تحمل پالس فیوز با مقدار نامی بالاتر، نسبت به فیوز با مقدار نامی کمتر، بیشتر است.

فیوز های کوچک ممکن است در جریان های سرج با انرژی زیاد نابود شوند.

تنها یک مدار حفاظت موثر که حفاظت در برابر سرج را بدون قطع برق فراهم می کند قادر است از اختلاف پتانسیل خطرناک در دستگاه ها سیستم ها جلوگیری کند زمان اجرای مفهوم حفاظت در برابر سرج باید اطلاعات مربوط به دستگاه و اجزای سیستم را داشته باشیم و در صورت امکان آن ها را در یک منطقه حفاظت در برابر صاعقه (LPZ) تجمیع کنیم.

• خطوط برق
• کابل های شبکه و دیتا
• کابل های مخابراتی
• کابل های آنتن
• کابل های کنترلی
• لوله های فلزی (نظیر لوله های آب و ناودان

کابل ها باید یا به صورت مستقیم و یا از طریق ارسترهای مناسب در سیستم هم بندی هم پتانسیل سازی تجمیع شوند. بهترین تجهیزات حفاظت در برابر سرج و صاعقه را هم که به کار ببریم، اگر هر خط و لوله ی ورودی به ساختمان یا مدار حفاظتی، در مفهوم حفاظت گنجانده نشده باشد، بی فایده است.

 در ساختمان ها و سیستم های الکتریکی معیارهای حفاظت در برابر صاعقه و سرج و ایمنی حریق سازه باید لحاظ شود و از مرحله ی برنامه ریزی (طراحی) این دو باید با هم هماهنگ باشند. الزامات قانونی نظیر مقررات ایالتی ساختمان آلمان و استانداردهای رایج باید ملاحظه شوند. باید بین برنامه ریز مهندسین حفاظت در برابر صاعقه، برقکارها و مشتری بهره بردار توافق درستی برای استفاده از حفاظت مناسب اتخاذ شود. مقررات شرکت های بیمه و بهره برداران شبکه نیز باید مد نظر قرار بگیرند.

SPD ها برای کسری از ثانیه تمام پل های یک مدار را به هم وصل می کنند. به منظور حصول اطمینان از این که این کار موجب قطع برق نمی شود، سرج ارسترها باید بالادست RCDها نصب شوند. بدین ترتیب، جریان سرج ابتدا به زمین منتقل می شود که مانع از این می شود، که RCD به اشتباه مدار را قطع کند. مطابق با استاندارد VDE0100-534) IEC60364-5-53)، استفاده از RCDی بالادست در شبکه ی TT تنها وقتی مجاز است که "مدار 1+3" باشد. در این حالت، سه هادی خارجی  طریق سرج ارسترها به سیم نول وصل شده و از اسپارک گپ برای اتصال N-PE استفاده می شود. در صورتی که سرج ارستر را فقط بعد از RCD بتوان نصب کرد، باید از RCD با قابلیت کار با سرج ارستر استفاده کرد.

مطابق با استاندارد IEC62305، تخلیه ی صاعقه میتواند جریان های سرج تا چند صد کیلو آمپر ایجاد کند. جریان های بزرگ ضربه، با زمان خیز سریعی که دارند، باعث ایجاد میدان مغناطیسی متغیر با زمان می شوند که به صورت متحدالمرکز از کانال صاعقه منتشر می شوند. این میدان مغناطیسی می تواند به حلقه های هادی سیستم های برق و IT در یک نیروگاه بادی نفوذ کند. اندوکتانس متقابل، M، که در این حالت شکل می گیرد، میتواند ولتاژ سرج بزرگی را القا کند که این نیز قادر است تجهیزات الکترونیکی را مختل یا حتی نابود سازد. این روند مبتنی بر قانون القا بوده و می توان آن را به صورت زیر ارائه کرد:

M اندوکتانس متقابل حلقه ی هادی است. هر چه مساحت سطح بزرگتر باشد، و زمان خیز جریان صاعقه نیز سریعتر باشد، ولتاژ سرج کوپل شده بزرگتر خواهد بود.

استفاده از سرج ارستر نوع ۲ برای تجهیزات الکترونیکی داخل نیروگاه بادی الزامی است. با این حال استاندارد 34-VDE0100 بیان می کند که الزامات فنی معینی باید برای این نوع ارسترها رعایت شوند؛
این الزامات به تفصیل در قسمت بعدی شرح داده می شوند. الزام پایه برای اپراتورهای نیروگاه بادی این است که سیستم تغذیه ی الکترونیکی در هر زمان الزامات EMC (سازگاری الکترومغناطیسی) را رعایت کند تا از ایجاد جریان های تداخلی روی شیلدهای کابل و PE جلوگیری شود. شبکه های برق مختلف و ولتاژهای متفاوتی در نیروگاه های بادی وجود دارند 230/400V و 400/690V. به طور خاص در شبکه های 400/690V، الزامات ویژه ای در ارتباط با حفاظت در برابر سرج باید لحاظ شود.

جدیدترین نیروگاه های بادی از کنترلرهای زاویه ی پره ی توربین بادی استفاده می  کنند. به منظور حفاظت از کنترل های الکترونیکی و کنترلرهای سرعت در مقابل خرابی و نقص باید از حفاظت صاعقه و سرج استفاده شود.

از آن جایی که ولتاژ سرج کوپل شده همواره در هر دو انتهای کابل وجود دارد هر تجهیزی که داخل سازه قرار میگیرد باید حفاظت شود. چرا که مخصوصا در نیروگاه های بادی بزرگ، طول زیاد کابل ها با مساحت سطح بزرگ چندان دور از انتظار نیستند، و به همین دلیل باید دقیقا قبل از هر دستگاه حساسی که داخل باس قرار دارد یک SPD به کار رود. در مناطقی که درجه ی رطوبت بالا و دما کم است، سنسور ممکن است یخ بزند که این موجب از کار افتادن سیگنال اندازه گیری می شود. عمده ی سنسورهایی که در این نواحی نصب می شوند مجهز به سیستم گرمایش هستند. این سنسورها نیازمند یک SPD هستند که نه تنها جریان سیگنال سنسور، بلکه بار نامی تجهیز گرمایشی را نیز تحمل کند. پیشنهاد OBO Bettermann یک محصول کم جاگیر است: MDP. علی رغم سایز کوچکی که دارد این سرج ارستر که برای طراحی در نیروگاه های بادی طراحی شده است، برای بارهای نامی تا ۱۰ آمپر مناسب است. با استفاده از این سرج ارسترها میتوان حتی سنسورهای با عرض باند بالا را نیز به سادگی و به طور موثر حفاظت کرد.

سرج های گذرای ناشی از برخوردهای صاعقه و عملیات سوئیچینگ باعث خرابی و نابودی دستگاه های الکترونیکی می شوند. آسیب رسیدن به تجهیزات نهایی در منازل و خرابی سیستم هایی که با کامپیوتر کنترل می شوند در هر زیرساختی نظیر صنعتی و تجاری تا کشاورزی، موجب قطع تولید ،خاموشی، تعمیرات هزینه بر یا حتی از دست رفتن فایل های مهم نظیر اسناد ،تصاویر و درخواست ها و سفارش های مشتریان می شود. باید برای سیستم ها و دستگاه های زیر معیارهایی برای حفاظت در برابر سرج اتخاذ شود (شکل (3.22):

• اتصال کابل
• آنتن ها
• تلویزیون ها، دستگاه های ضبط ویدئو و DVD، استریوها

• آنالوگ
• ISDN NTBA 
• سیستم های تلفن IP

• کنترل گرمایش
• سیستم های خورشیدی و فتوولتائیک
• اتوماسیون ساختمان

• کامپیوترها
• لوازم خانگی، سیستم های دزدگیر، و غیره
• استفاده از تجهیزات حفاظت در برابر سرج باعث کاهش خاموشی می شود.

ولتاژهای سرج می توانند باعث خرابی سیستم های PV و لذا عدم دستیابی به اهداف استفاده از PV شوند. به منظور جلوگیری از تلف شدن سرمایه گذاری، باید سوالاتی که مربوط به تضمین و بیمه میشوند پرسیده شوند.
تنها یک سیستم تحت حفاظت می تواند این بارها را تحمل کرده و در عین حال برق تولید کند تحت دستورالعمل VdS2010، بیمه های دارایی و اموال، استفاده از حفاظت اولیه و ثانویه در برابر صاعقه را برای سیستم های 10kW PV یا بیشتر الزامی کرده اند.

سایه اندازی(شکل 3.24)
موقعیت دکل های صاعقه گیر باید طوری باشد که روی ماژول های PV سایه نیافتد. در صورتی که سایه تنها روی یکی از هسته ها بیافتد، عملکرد کل آرایه کاهش می یابد. میله ی جذب باید حداقل در فاصله ی ۱۰۸ برابری قطر میله از ماژول PV  قرار بگیرد (3-62305 DIN EN پیوست ۵).

بررسی فاصله ی جداسازی
در صورتی که نتوان فاصله ی جداسازی را رعایت کرد، باید بخش های فلزی به هم وصل شوند تا جریان صاعقه کند.

بررسی معیارهای حفاظتی
بررسی معیارهای حفاظتی نظیر معیارهای همبندی هم پتانسیل سازی حفاظت در برابر صاعقه که در سمت AC و DC استفاده می شوند (مثال: ارستر صاعقه نوع ۱)

کابل های دیتا را مد نظر قرار دهید
کابل های دیتا باید در مفهوم حفاظت در برابر صاعقه لحاظ شوند

انجام هم بندی هم پتانسیل سازی
هم بندی هم پتانسیل سازی محلی باید برای اینورتر انجام شود.

ارستر و حفاظت در برابر صاعقه ترکیبی AC; نوع 1، نوع 2+1، نوع 2، و نوع 3

در زمینه روشنایی خیابانی، جایگزینی قطعات آسیب دیده، به همراه هزینه های سخت افزار باعث ایجاد هزینه های زیادی می شود که به این ها باید تجهیزات بالابر و پرسنل تعمیرات را نیز اضافه کرد. تجهیزات حفاظت در برابر سرج که در بالادست نصب شده باشند می توانند این پالس ها را کاهش داده و از روشنایی حفاظت کنند. تمام خیابان ها از طریق تابلوهای توزیع تغذیه می شوند که شامل کنترلرها و تجهیزات حفاظتی هستند. ولتاژ تغذیه از طریق کابل های دفنی به جعبه تقسیم داخل تیر چراغ می رسد. لامپ از طریق این کابل و جعبه تقسیم تغذیه می شوند.

در تاسیسات جدید، کابل تغذیه را می توان در برابر جریان های صاعقه در زمین از طریق خط ارتینگ اضافی بالای آن حفاظت کرد. طبق استاندارد حفاظت در برابر جریان صاعقه 3-IEC62305 الحاقيه آلمانی 2 (VDE0185-305-3) این خط ارتینگ باید نیم متر بالاتر از کابل تغذیه قرار بگیرد. خط ارتینگ اختلاف پتانسیل را جبران سازی کرده و قوس الکتریکی به کابل تغذیه را به حداقل می رساند.

 استفاده از حفاظت در برابر سرج برای عملکرد ایمن لازم است مطابق با استاندارد ANSI آمریکا و IEEE، روشنایی خارجی باید تحمل ولتاژ سرج ۲۰ کیلوولت را در جریان ۱۰ کیلو آمپر داشته باشد. با این حال، بسیار مهم است که سطح حفاظت دستگاه حفاظتی کمتر از مقاومت چراغ ها و درایور LED در برابر ولتاژ سرج باشد( تا به این تجهیزات آسیبی نرسد). دستگاه های حفاظت در برابر سرج باید با استاندارد تست VDE 0675) IEC61643-11)سازگار باشند و باید قادر باشند چندین بار جریان های سرج تا چند هزار آمپر را بدون خرابی دریافت کنند. طبق استاندارد تست، هر دستگاه حفاظتی باید دارای مانیتورینگ حرارتی بوده و در صورتی که دچار نقص شود به صورت ایمن ایزوله شود.

برخورد صاعقه تا شعاع ۱.۵ کیلومتری قادر است ولتاژ سرجی را تولید کند که از طریق کابل تغذیه به تیر روشنایی می رسد (شکل 3.26). این ولتاژهای سرج انرژی کمتری نسبت به برخورد مستقیم صاعقه دارند، ولی هنوز قادرند تجهیزات الکترونیکی را نابود کنند. کوپلینگ القایی در صورت استفاده از تیر فلزی و محفظه ی چراغ فلزی به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. در این حالت نیز، پالس های ولتاژ سرج در امتداد کابل های شبکه باید لحاظ شوند. در این مورد، حفاظت در برابر سرج در جعبه تقسیم تیر به سادگی در دسترس بوده و می توان آن را بررسی نمود.

سیستم های روشنایی LED در کارخانجات صنعتی و ساختمان های اداری معمولا توسط ولتاژهای زیاد که به صورت القایی کوپل میشوند یا ناشی از عملیات سوئیچینگ هستند نابود می شوند.
با انجام تحلیل ریسک مطابق با استاندارد VDE0185-305) IEC62305) می توان تعیین کرد که آیا نیاز به حفاظت اولیه در برابر صاعقه وجود دارد یا خیر. در یک سیستم حفاظت در برابر صاعقه، کابل های تغذیه در ورودی ساختمان باید با استفاده از ارسترهای مناسب جریان صاعقه حفاظت شوند. علاوه بر این ،حفاظت سیستم حفاظت در برابر سرج نیز باید برای کل سیستم روشنایی نصب شود.
در سالن های صنعتی و ورزشی، روشنایی در ارتفاع زیادی نصب می شود. بعد از آسیب، هزینه ی تعمیر چراغ ها و درایو بسیار زیاد است. از آن جایی که روشنایی ناکافی در کارگاه میتواند باعث حادثه یا اشتباه شود، باید سریعا اقدامی صورت بگیرد.

خطوط تغذیه که معمولا طول زیادی هم دارند، پتانسیل بالایی برای ایجاد ولتاژهای سرج از طریق کوپلینگ القایی دارند.
باید از دستگاه های حفاظت در برابر سرج در تابلوهای فرعی استفاده شود. ولی، روشنایی معمولا در فاصله ی بیش از ۱۰ متر از این تابلوها قرار دارد. به منظور حفاظت از درایوهای LED و چراغ ها، باید یک قطعه ی حفاظت در برابر سرج دقیقا روبروی تجهیز الکترونیکی نصب شود. اگر به طور مثال چراغ ها مستقیما زیر سیستم های ساپورت کابل نصب شده باشند، حفاظت در برابر سرج را میتوان در یک جعبه تقسیم در روبروی چراغ نصب کرد. برای استفاده از عملکرد شیلدینگ سیستم های ساپورت فلزی کابل، این سیستم ها نیز باید در هر دو سمت در همبندی هم پتانسیل سازی شرکت داده شوند.

دستگاه حفاظتی USM-LED230 را می توان به صورت سری یا موازی با روشنایی نصب کرد. می توان از اتصال دیفرانسیلی برای حداکثر کردن دسترسی استفاده کرد (اتصال موازی) یا در صورتی که نقصی در سیستم
حفاظتی ایجاد شد روشنایی خاموش شود( اتصال سری).

دستگاه حفاظت در برابر سرج بالادست روشنایی LED قرار می گیرد.

رفتار هنگام خطا: نشانگر روی USM-LED خاموش می شود. حفاظت در برابر سرج قطع می شود. روشنایی LED بدون حفاظت همچنان روشن باقی می ماند.

حفاظت در برابر سرج به صورت سری به روشنایی LED وصل می شود.

رفتار هنگام خطا: نشانگر روی USM-LED خاموش می شود. حفاظت در برابر سرج و مدار (L) قطع می شوند. با خاموش شدن روشنایی، خطا تشخیص داده می شود. یک دستگاه حفاظتی، بالادست درایو الکترونیکی LED مانع امنی در برابر ولتاژهای سرج است. این تضمین کننده ی طول عمر روشنایی های LED است که سرمایه گذاری ایمنی را فراهم می کند.

در بخش تجاری و در زمینه ی روشنایی خیابانی، که طول عمر زیادی دارند، علیرغم افزایش هزینه های تامین، صرفه جویی های زیادی می توان در هزینه ها ایجاد کرد. با این حال، خرابی پیش از موعد که ناشی از ولتاژ سرج است، می تواند مانع از بازگشت سرمایه در آینده شود. با اتخاذ معیارهای حفاظتی مناسب می توان از سرمایه ها حفاظت کرد.