آنچه که قرار است در این پست بخوانید چالش هایی هست که ما مهندسین برق با رویدادهای صاعقه داریم و در این بخش ما به دنبال راه حل هایی هستیم که تلفات را به حداقل برسانیم.
رویدادهای رعد و برق در حال افزایش هستند و پیشبینی میشود که با فرکانس، دفعات و قدرت بیشتری در سراسر جهان رخ دهند. روند کوچکسازی در سیستمهای الکترونیکی، حساسیت بیشتری را نسبت به پدیدههای گذرای الکتریکی به همراه دارد. ترانزیستورها کوچک شدهاند و ابعاد آنها اکنون در حدود پنج مولکول ضخامت دارد. اکثر مدارهای مجتمع مدرن در ولتاژهای بسیار پایین کار میکنند و در نتیجه، گذراهای الکتریکی تنها در حد چند ولت میتوانند به این سیستمها و اجزای آنها آسیب برسانند، آنها را مختل کنند یا طول عمر آنها را کوتاه کنند.
یکی از علل اصلی آسیب و اختلال در تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی، فعالیت صاعقه است. هر برخورد صاعقه باعث تعدادی اثرات غیرمستقیم و ثانویه میشود که میتواند بر همه هادیها و مواد نیمهرسانای مجاور تأثیر بگذارد. این پدیدههای غیرمستقیم یا ثانویه میتوانند بر هر نوع هادی یا نیمهرسانا، از جمله هادیهایی که برای برق AC، سیستمهای کنترل، انتقال داده، ابزار دقیق، مدارهای ارتباطی و غیره استفاده میشوند، تأثیر بگذارند. همه این هادیها ممکن است تحت تأثیر قرار گیرند، اما با شدتهای مختلف.
برای ارزیابی و پیادهسازی مؤثر فناوری حفاظت، ابتدا باید چگونگی تأثیر فعالیت صاعقه در نزدیکی این سیستمها را روشن و درک کرد.در این مقاله این مشکلات را بررسی کردم و اطلاعات پیشزمینه مورد نیاز برای درک چگونگی حذف پدیدههای اثرات ثانویه از سیستمهای الکتریکی و الکترونیکی را ارائه میدهم.
فرآیند ایجاد رعد و برق
رعد و برق یک پدیده پیچیده است، اما میتوان آن را به صورت خلاصه و ساده به شرح زیر توضیح داد: آشفتگی درون یک ابر رعد و برق، بار الکترواستاتیکی را در داخل ابر ایجاد میکند. این بار تمایل به جدا شدن دارد و در نتیجه یک سلول تشکیل میدهد. در حدود ۹۰٪ از مواقع رعد و برق، بار مثبت تمایل به تجمع در نواحی بالایی سلول و بار منفی تمایل به تجمع در پایین سلول دارد، همانطور که در قسمت بالایی شکل ۱ نشان داده شده است.
تجمع بار در پایین ابر صاعقهدار، بار مخالفی (به نام سایه الکترواستاتیکی) را بر روی سطح زمین و تمام اشیاء زمینی زیر ابر صاعقهدار ایجاد میکند، همانطور که در قسمت پایین شکل ۱ نشان داده شده است. در نتیجه، ابر صاعقهدار یک میدان الکترواستاتیکی بسیار قوی بین خود و سطح زمین ایجاد کرده است. تحت یک طوفان بالغ، آن میدان الکترواستاتیک میتواند قبل از شروع رعد و برق، به سطوحی بین ۵ تا ۳۰ کیلوولت در هر متر ارتفاع از سطح زمین برسد.
میدان الکترواستاتیکی ایجاد شده توسط سلول طوفان، باری را در سطح زمین القا میکند که بار آن برابر اما قطبیت آن مخالف بار موجود در پایه ابر است. در حدود ۹۰٪ موارد، یک سایه الکترواستاتیکی با بار مثبت روی سطح زمین القا میشود. در ۱۰٪ موارد دیگر، قطبیت بارها معکوس میشود، اما سایه الکترواستاتیکی مثبت غالب است و اثرات ثانویه صرف نظر از قطبیت یکسان هستند. بار به دلیل نیروی جاذبه میدان الکترواستاتیکی، تمایل دارد در سطح یا نزدیکی سطح زمین و پایه ابر در سراسر دیالکتریک جداکننده (هوا) متمرکز شود.
با بزرگ شدن سلول طوفان و نزدیک شدن به پتانسیل حدود ۱۰ به توان ۸ ولت (8^10)، کیفیت دیالکتریک هوا کاهش مییابد و کانالهای رسانا، رو به پایین، تشکیل میشوند و شروع به حرکت به سمت پایین از سلول به سمت زمین میکنند. هنگامی که این کانال های رو به پایین در فاصله چند صد متری از زمین قرار میگیرند، جریانهای رو به بالا از محل بار انباشته شده در سایه الکترواستاتیک پرتاب میشوند و شروع به حرکت به سمت بالا از زمین به سمت رهبران رو به پایین میکنند. جریانهای رو به بالا، جریانهایی از بار الکتریکی هستند، شبیه به کانال های رو به پایین اما با بار مخالف.
وقتی یکی از هادیهای رو به پایین به یک جریان رو به بالا متصل میشود، یک اتصال کوتاه الکتریکی بین ابر و زمین ایجاد میشود و در نتیجه یک صاعقه رخ میدهد. چندین صاعقه معمولاً در همان کانال صاعقه رخ میدهد، زیرا جریان بین ابر و زمین جریان مییابد. جریان بین ابر و زمین تا زمانی که سلول بین ابر و زمین خنثی شود، ادامه خواهد یافت.
دانشمندان یک تخلیه کامل صاعقه را درخشش آذرخش مینامند. یکدرخشش آذرخش کامل ممکن است شامل حداکثر 30 ضربه صاعقه جزئی باشد که به طور متوسط هر ضربه شامل چهار ضربه است. توجه به این نکته مهم است که هر ضربه صاعقه نامحسوس در داخل برق، اثرات ثانویه خاص خود را ایجاد میکند. برخی از پارامترهای رایج برخورد صاعقه در جدول 1 نشان داده شده است.
