تأثیر صاعقه و جریان‌های برگشتی بر تجهیزات الکتریکی

جریان‌های برگشتی صاعقه

در فرآیند تخلیه الکتریکی صاعقه، زمانی‌که پیش‌جریان منفی از ابر به سمت زمین حرکت می‌کند و مسیر تخلیه را می‌سازد، به‌محض رسیدن به سطح زمین، یک جریان بسیار شدید و پرانرژی از زمین به سمت ابر بازمی‌گردد. این جریان که به آن جریان برگشتی (Return Stroke) گفته می‌شود، در واقع بخش اصلی و قابل مشاهده صاعقه است.

جریان برگشتی از نظر شدت، ولتاژ و سرعت، مهم‌ترین و خطرناک‌ ترین بخش صاعقه محسوب می‌شود. این جریان می‌تواند در مدت‌زمانی بسیار کوتاه (چند میکروثانیه)، هزاران آمپر جریان الکتریکی را منتقل کند. ولتاژ آن نیز ممکن است به میلیون‌ها ولت برسد که برای تخریب تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی کافی است.

پیشنهاد مطالعه: کاربرد ارت الکتریکی در تجهیزات ورزشی

انواع جریان‌ های برگشتی

• جریان برگشتی نخستین: اولین و قوی‌ترین تخلیه‌ای است که در حین صاعقه رخ می‌دهد. این جریان معمولاً شدیدترین بخش صاعقه بوده و می‌تواند آسیب‌های جدی وارد کند.
• پس‌ضربه‌ها (Subsequent Strokes): پس از جریان نخستین، ممکن است چند تخلیه دیگر با شدت کمتر و با فاصله زمانی اندک رخ دهد. این ضربه‌های پیاپی نیز خطرناک هستند و ممکن است تجهیزات را که در اثر اولین جریان تضعیف شده‌اند، به‌طور کامل از کار بیندازند.

ویژگی‌ جریان برگشتی

• شدت بسیار بالا: گاهی تا بیش از ۳۰ هزار آمپر
• مدت زمان بسیار کوتاه: کمتر از ۱۰۰ میکروثانیه
• ولتاژ بالا: تا چند میلیون ولت
• ایجاد نور شدید و صدای رعد: در اثر انبساط سریع هوا

جریان‌های برگشتی می‌توانند از فاصله‌ای دور نیز اثرگذار باشند. به همین دلیل است که بسیاری از خسارات صاعقه، حتی در مواقعی که صاعقه مستقیماً به یک ساختمان یا دستگاه برخورد نمی‌کند، اتفاق می‌افتد.

در ادامه، به بررسی انواع برخورد صاعقه با تجهیزات و تأثیرات آن خواهیم پرداخت.

انواع برخورد صاعقه و نحوه آسیب به تجهیزات

صاعقه می‌تواند به روش‌های مختلفی با زمین یا اجسام متصل به آن برخورد کند. هر نوع برخورد، سطح متفاوتی از خطر را به همراه دارد و شناخت این تفاوت‌ها می‌تواند به انتخاب روش‌های حفاظتی مناسب کمک کند.

الف) برخورد مستقیم

در این حالت، صاعقه مستقیماً به یک شیء مانند ساختمان، دکل، آنتن یا تجهیزات صنعتی برخورد می‌کند. این نوع برخورد معمولاً بیشترین آسیب را وارد می‌کند و ممکن است منجر به موارد زیر شود:

• تخریب فیزیکی: حرارت زیاد ناشی از صاعقه می‌تواند مصالح ساختمانی، سیم‌کشی‌ها، لوازم فلزی و حتی درختان را ذوب یا منفجر کند.
• آتش‌سوزی: انرژی زیاد صاعقه ممکن است باعث شعله‌ور شدن مواد قابل احتراق یا انفجار تجهیزات شود.
• سوختن تجهیزات برقی: اگر تجهیزات به درستی ارت نشده باشند، جریان می‌تواند مستقیماً وارد آن‌ها شود و باعث سوختگی یا از کار افتادن کاملشان شود.

ب) برخورد غیرمستقیم

در این نوع برخورد، صاعقه به طور مستقیم به تجهیزات برخورد نمی‌کند اما اثرات آن از طریق میدان‌های الکترومغناطیسی یا هادی‌های متصل، منتقل می‌شود:

• اثر القایی: میدان مغناطیسی ناشی از صاعقه می‌تواند در سیم‌ها یا کابل‌ها جریان القا کند و باعث آسیب به تجهیزات شود.
• انتقال از طریق شبکه برق یا مخابرات: جریان صاعقه می‌تواند از طریق خطوط برق یا کابل‌های تلفن به داخل ساختمان نفوذ کرده و دستگاه‌های متصل را از کار بیندازد.
• اختلال عملکرد در تجهیزات حساس: سیستم‌های مخابراتی، کامپیوترها، و دستگاه‌های کنترلی در برابر اختلالات ناشی از صاعقه بسیار آسیب‌پذیر هستند، حتی اگر در فاصله‌ای دور از محل برخورد باشند.

هر دو نوع برخورد می‌توانند بدون هشدار قبلی و در مدت‌زمانی بسیار کوتاه رخ دهند، و به همین دلیل استفاده از تجهیزات حفاظتی مناسب، سیستم‌های زمین‌سازی استاندارد و ارت الکتریکی مؤثر، اهمیت بسیار زیادی دارد.

پیشنهاد مطالعه: جلوگیری از افزایش مقاومت زمین در سیستم ارتینگ

تأثیر صاعقه بر تجهیزات برقی و صنعتی

صاعقه، به‌ویژه در صورت نبودن سیستم حفاظتی مناسب، می‌تواند به طیف وسیعی از تجهیزات الکتریکی، الکترونیکی و صنعتی آسیب بزند. این آسیب‌ها ممکن است از خرابی جزئی تا سوختن کامل دستگاه‌ها متغیر باشند و در بسیاری از موارد، خسارات مالی و اختلال در عملکرد سیستم‌ها را به دنبال داشته باشند.

تجهیزات برقی خانگی و صنعتی

وسایلی مانند تلویزیون، یخچال، رایانه، ماشین لباسشویی و دستگاه‌های صنعتی، در برابر نوسانات شدید ولتاژ بسیار حساس هستند. صاعقه می‌تواند با ایجاد ولتاژ لحظه‌ای بالا (Surge) باعث از کار افتادن دائمی این دستگاه‌ها شود، به‌ویژه زمانی که تجهیزات به شکل مناسبی به زمین متصل نباشند یا فاقد سیستم محافظ باشند.

ترانسفورماتورها و شبکه توزیع برق

ترانسفورماتورها که وظیفه کاهش یا افزایش ولتاژ برق را دارند، یکی از مهم‌ترین اجزای شبکه برق محسوب می‌شوند. صاعقه می‌تواند با عبور از خطوط انتقال، این تجهیزات را بسوزاند یا منفجر کند. چنین آسیب‌هایی ممکن است باعث قطع برق در مناطق وسیع و ایجاد وقفه در تأمین انرژی شوند.

تجهیزات مخابراتی و ارتباطی

سیستم‌های مخابراتی مانند دکل‌های رادیویی، تجهیزات فرستنده و گیرنده، مودم‌ها و روترها در برابر اثرات صاعقه بسیار آسیب‌پذیر هستند. آسیب به این تجهیزات می‌تواند منجر به قطع تماس‌ها، از دست رفتن ارتباط اینترنتی، یا اخلال در سیستم‌های هشدار و پایش شود.

سیستم‌ های کنترل صنعتی (PLC و SCADA)

در صنایع بزرگ، سیستم‌های اتوماسیون و مانیتورینگ نقش حیاتی دارند. کنترلرهای برنامه‌پذیر (PLC) و سامانه‌های SCADA اگر در برابر صاعقه محافظت نشوند، ممکن است در یک لحظه عملکرد کل خط تولید یا یک فرآیند را مختل کنند و باعث از بین رفتن داده‌ها یا توقف فعالیت شوند.

تجهیزات حفاظتی مانند فیوزها و رله‌ها

حتی تجهیزات طراحی‌شده برای حفاظت از سیستم نیز ممکن است در برابر جریان شدید صاعقه مقاومت نداشته باشند. در صورتی که صاعقه باعث سوختن رله‌ها یا فیوزها شود، عملکرد کل شبکه در معرض اختلال قرار می‌گیرد و تجهیزات متصل نیز بدون محافظ باقی می‌مانند.

پیشنهاد مطالعه: چرا چاه ارت به مرور زمان کارایی خود را از دست می‌دهد؟

رفتار سیستم زمین در برابر صاعقه

سیستم زمین (ارتینگ) به عنوان یک مسیر ایمن برای هدایت جریان‌های اضافی به زمین، در زمان برخورد صاعقه نقش حیاتی ایفا می‌کند. عملکرد صحیح این سیستم می‌تواند تفاوت بین یک تخلیه خطرناک و یک دفع ایمن انرژی صاعقه باشد. برای درک بهتر اهمیت این سیستم، باید به نحوه تعامل آن با جریان صاعقه توجه کرد.

خاصیت غیرخطی جریان صاعقه

جریان صاعقه معمولاً به‌صورت پالس‌هایی با شیب تند و تغییرات شدید جریان رخ می‌دهد. این تغییرات، رفتار غیرخطی را در سیستم زمین ایجاد می‌کنند، به‌طوری که مقاومت سیستم ممکن است در لحظه بالا یا پایین برود. این خاصیت باعث می‌شود طراحی ارت مؤثر نیاز به دقت بالا و استفاده از مواد و ساختار مناسب داشته باشد.

ایجاد ولتاژ گام و تماس

هنگامی‌که جریان صاعقه به زمین منتقل می‌شود، اختلاف پتانسیل در نقاط مختلف زمین به وجود می‌آید:

• ولتاژ گام: اختلاف پتانسیل بین دو نقطه روی زمین که فرد بین آن‌ها قدم برمی‌دارد. اگر زیاد باشد، می‌تواند باعث شوک الکتریکی خطرناک شود.
• ولتاژ تماس: اختلاف پتانسیل بین جسم فلزی (مثل لوله یا چهارچوب در) و زمین که در صورت تماس انسان با آن، ممکن است جریان از بدن عبور کند.

در مناطق صنعتی و ساختمانی، این ولتاژها می‌توانند برای کارکنان خطرات جدی ایجاد کنند و باید در طراحی ارت در نظر گرفته شوند.

نقش مقاومت و امپدانس زمین

اگر مقاومت یا امپدانس زمین بالا باشد، جریان صاعقه به سختی در زمین پخش می‌شود و ممکن است مسیرهای ناخواسته‌ای مانند لوله‌های فلزی، کابل‌ها یا تجهیزات را طی کند. برعکس، زمین با مقاومت پایین، جریان را به راحتی جذب کرده و از پخش انرژی در مسیرهای ناایمن جلوگیری می‌کند.

پاسخ فرکانسی سیستم زمین

صاعقه شامل فرکانس‌های بالا است و یک سیستم زمین مؤثر باید بتواند به این فرکانس‌ها پاسخ دهد. سیستم‌های طراحی‌شده برای فرکانس برق شهری (۵۰/۶۰ هرتز) برای صاعقه کافی نیستند. به همین دلیل استفاده از طراحی‌هایی مانند الکترودهای شعاعی، میله‌های زمین و مش‌های گسترده، برای دفع مؤثر امواج صاعقه ضروری است.

راهکارهای محافظت از تجهیزات در برابر صاعقه

برای جلوگیری از آسیب‌های ناشی از صاعقه، به‌ویژه جریان‌های برگشتی شدید، لازم است از مجموعه‌ای از روش‌های حفاظتی استفاده شود. این راهکارها باید هم در طراحی اولیه و هم در نگهداری و بهره‌برداری سیستم‌ها مورد توجه قرار گیرند.

نصب سیستم حفاظت در برابر صاعقه (LPS)

سیستم‌های LPS با هدف هدایت ایمن جریان صاعقه به زمین طراحی می‌شوند و از سه بخش اصلی تشکیل شده‌اند:

• میله‌های برق‌گیر (Air Terminals): وظیفه جذب صاعقه را دارند. باید از فلزاتی مانند مس یا آلومینیوم ساخته شوند و در بالاترین نقطه ساختمان یا سازه قرار گیرند.
• هادی‌های نزولی (Down Conductors): جریان جذب‌شده توسط برق‌گیر را به زمین منتقل می‌کنند. باید کوتاه‌ترین مسیر ممکن را داشته باشند و مقاوم در برابر حرارت و خوردگی باشند.
• الکترودهای زمین (Earth Termination): این بخش جریان صاعقه را به درون زمین تخلیه می‌کند. طراحی صحیح این قسمت به کاهش مقاومت زمین و پخش ایمن جریان کمک می‌کند.