شنبه ۲۴ مرداد ۰۵ ۱۹:۵۰
تجهیزات صنعتی از جمله گرانقیمتترین و حساسترین بخشهای هر کارخانه، کارگاه، نیروگاه و مجموعه تولیدی هستند. دستگاههایی مانند PLC، اینورتر، درایو، تابلو برق، موتورهای الکتریکی، سیستمهای کنترل، تجهیزات ابزار دقیق، سرورها و تجهیزات شبکه، همگی به کیفیت برق و شرایط الکتریکی محیط وابستهاند. یکی از مهمترین تهدیدها برای این تجهیزات، رعد و برق و اضافهولتاژهای ناشی از آن است. به همین دلیل مجموعههایی مانند سانا صنعت که در حوزه تجهیزات برق اضطراری، حفاظت الکتریکی و زیرساختهای صنعتی فعالیت دارند، باید حفاظت در برابر صاعقه و Surge را بخشی جداییناپذیر از طراحی تأسیسات بدانند.
اما چرا یک صاعقه که ممکن است مستقیماً به ساختمان یا حتی چند صد متر دورتر برخورد کند، میتواند باعث سوختن یک PLC، اینورتر یا منبع تغذیه صنعتی شود؟
پاسخ در اضافهولتاژهای گذرا، جریانهای القایی، انتقال Surge از شبکه برق و خطوط ارتباطی، اختلاف پتانسیل زمین و ضعف در سیستم حفاظت نهفته است. صاعقه فقط زمانی خطرناک نیست که مستقیماً به دستگاه برخورد کند؛ حتی یک برخورد نزدیک نیز میتواند انرژی الکتریکی بسیار بزرگی را از طریق کابلهای قدرت، شبکههای مخابراتی، خطوط کنترل و زمین به تجهیزات منتقل کند. استاندارد IEC 62305-4:2024 نیز بهطور مشخص برای کاهش خطر خرابی دائمی سیستمهای الکتریکی و الکترونیکی ناشی از امواج الکترومغناطیسی صاعقه، الزامات مربوط به اقدامات حفاظت در برابر Surge را ارائه میکند.
در این مقاله بررسی میکنیم رعد و برق چگونه به تجهیزات صنعتی آسیب میزند، کدام تجهیزات آسیبپذیرتر هستند و چگونه میتوان با ارت مناسب، برقگیر، SPD، همبندی و طراحی صحیح، ریسک خسارت را کاهش داد.
وقتی صاعقه تخلیه میشود، یک جریان بسیار شدید و سریع در محیط ایجاد میکند. این جریان میتواند از مسیرهای مختلف روی شبکه برق، کابلهای ارتباطی، سازه فلزی و زمین اثر بگذارد.
مهمترین مسیرهای انتقال اثر صاعقه عبارتاند از:
برخورد مستقیم به ساختمان یا تجهیزات
برخورد به خطوط انتقال برق
برخورد نزدیک به ساختمان
القای الکترومغناطیسی در کابلها
انتقال Surge از شبکه برق
انتقال اضافهولتاژ از خطوط مخابراتی و کنترلی
ایجاد اختلاف پتانسیل بین نقاط مختلف زمین
در واقع، تجهیزات صنعتی ممکن است بدون اینکه صاعقه مستقیماً به آنها برخورد کند، در معرض یک Transient Overvoltage بسیار شدید قرار بگیرند.
Surge یک افزایش بسیار سریع و کوتاهمدت ولتاژ یا جریان است که میتواند در اثر صاعقه، قطع و وصل بارهای بزرگ، خطاهای شبکه و برخی تجهیزات الکتریکی ایجاد شود.
استاندارد IEC 61643-01:2024، تجهیزات حفاظت در برابر Surge یا SPD را برای حفاظت در برابر آثار مستقیم و غیرمستقیم صاعقه و سایر اضافهولتاژهای گذرا تعریف میکند. این تجهیزات برای محدود کردن ولتاژ Surge و منحرف کردن جریان Surge طراحی شدهاند.
در یک کارخانه ممکن است ولتاژ شبکه در حالت عادی 400 ولت باشد، اما یک Surge بسیار کوتاه میتواند ولتاژ بسیار بالاتری ایجاد کند.
اگر این انرژی توسط سیستم حفاظتی مهار نشود، ممکن است به اجزای الکترونیکی حساس برسد.
یکی از رایجترین تصورات اشتباه این است که اگر صاعقه مستقیماً به کارخانه برخورد نکند، تجهیزات صنعتی در امان هستند.
در حالی که صاعقه نزدیک نیز میتواند باعث ایجاد میدان الکترومغناطیسی شدید شود و ولتاژهای ناخواسته را در کابلها القا کند.
استاندارد IEC 62305-1:2024 نیز در بحث حفاظت در برابر صاعقه، اثرات جریانهای ناشی از صاعقه و Surgeهای مورد انتظار در سیستمهای برق و مخابرات را مورد توجه قرار میدهد.
بنابراین سه حالت مهم را باید در نظر گرفت:
۱. برخورد مستقیم
صاعقه مستقیماً به ساختمان، دکل، خط برق یا یک بخش از تأسیسات برخورد میکند.
این حالت میتواند بسیار مخرب باشد.
۲. برخورد نزدیک
صاعقه در نزدیکی ساختمان یا خطوط برق و مخابرات تخلیه میشود.
میدان الکترومغناطیسی ناشی از این تخلیه میتواند ولتاژهای گذرا در هادیها ایجاد کند.
۳. برخورد دورتر اما متصل به شبکه
ممکن است صاعقه در نقطهای دورتر به شبکه برق یا خطوط متصل به کارخانه برخورد کند و Surge از طریق همان شبکه به تأسیسات برسد.
پیشنهاد مطالعه: آیا UPS بدون سیستم ارت مناسب کارایی کامل دارد؟
مدارهای الکترونیکی معمولاً برای محدوده مشخصی از ولتاژ طراحی شدهاند. اگر ولتاژ برای مدت بسیار کوتاه از محدوده تحمل آنها فراتر رود، ممکن است:
عایقها آسیب ببینند؛
قطعات نیمههادی بسوزند؛
خازنها خراب شوند؛
منابع تغذیه از کار بیفتند؛
بردهای الکترونیکی آسیب ببینند.
صاعقه علاوه بر ولتاژ بسیار بالا، جریان بسیار بزرگی نیز ایجاد میکند.
عبور جریان ضربهای از مسیرهای نامناسب میتواند موجب:
گرم شدن شدید هادی؛
تخریب اتصالات؛
ایجاد قوس الکتریکی؛
ذوب شدن قطعات؛
آسیب به تابلوها؛
و حتی ایجاد حریق
شود.
به همین دلیل سیستم حفاظت در برابر صاعقه باید بتواند جریان ضربهای را از مسیر مناسب هدایت کند.
استاندارد IEC 62305-3:2024 الزامات مربوط به سیستم حفاظت در برابر صاعقه برای جلوگیری از آسیب فیزیکی به سازه و کاهش خطرات ناشی از ولتاژ تماس و گام را مشخص میکند.
این مورد در تجهیزات صنعتی بسیار مهم است.
فرض کنید یک کابل کنترل طولانی در کارخانه وجود دارد. اگر صاعقه در نزدیکی آن تخلیه شود، میدان الکترومغناطیسی ایجادشده میتواند در این کابل ولتاژ القا کند.
این ولتاژ ممکن است از نظر انرژی کمتر از برخورد مستقیم باشد، اما برای یک مدار الکترونیکی حساس کاملاً مخرب است.
به همین دلیل کابلهای:
PLC
سنسورها
RS-485
Ethernet
سیستمهای کنترل
ابزار دقیق
دوربینها
سیستمهای اعلام حریق
میتوانند در زمان رعد و برق آسیب ببینند.
تجهیزات صنعتی معمولاً مستقیماً به شبکه برق متصل هستند.
اگر صاعقه به شبکه یا یکی از بخشهای مرتبط با آن برخورد کند، Surge میتواند از طریق کابل برق وارد کارخانه شود.
در چنین شرایطی حتی اگر ساختمان سیستم برق مناسبی داشته باشد، تجهیزات حساس داخل آن ممکن است همچنان در معرض اضافهولتاژ قرار گیرند.
به همین دلیل استفاده از Surge Protective Device یا SPD در طراحی حفاظتی اهمیت زیادی دارد.
SPD با هدف محدود کردن اضافهولتاژ و هدایت جریان Surge طراحی شده است.
یکی از نقاط ضعف بسیاری از سیستمهای صنعتی این است که فقط ورودی برق را محافظت میکنند.
در حالی که یک دستگاه ممکن است از طریق چند مسیر مختلف با محیط بیرون ارتباط داشته باشد.
برای مثال یک PLC ممکن است به موارد زیر متصل باشد:
برق ورودی
شبکه Ethernet
سنسورها
خروجیهای کنترلی
RS-485
تجهیزات دیگر
اگر فقط برق ورودی مجهز به حفاظت باشد اما خط ارتباطی بدون حفاظت باقی بماند، Surge میتواند از مسیر ارتباطی وارد دستگاه شود.
استاندارد IEC 61643-21 برای تجهیزات حفاظت در برابر Surge متصل به شبکههای مخابراتی و سیگنالینگ، الزامات و آزمونهای مشخصی ارائه میکند.
یکی دیگر از عوامل مهم، Ground Potential Rise یا GPR است.
زمانی که جریان بسیار زیادی وارد سیستم زمین میشود، پتانسیل نقاط مختلف زمین میتواند برای مدت کوتاهی بهشدت تغییر کند.
اگر دو تجهیز به نقاطی با پتانسیل متفاوت متصل باشند، اختلاف ولتاژ ایجادشده ممکن است از طریق کابل ارتباطی یا هادی حفاظتی بین آنها عبور کند.
این اتفاق میتواند برای تجهیزات الکترونیکی بسیار خطرناک باشد.
PLCها یکی از مهمترین تجهیزات کنترل صنعتی هستند.
آنها معمولاً به تعداد زیادی ورودی و خروجی، سنسور، عملگر و شبکه ارتباطی متصل هستند.
این یعنی یک PLC میتواند از چندین مسیر در معرض Surge قرار بگیرد.
برای مثال:
سنسور → کابل کنترل → کارت ورودی PLC
یا:
شبکه برق → منبع تغذیه → PLC
یا:
Ethernet → سوئیچ شبکه → PLC
بنابراین حفاظت PLC باید فقط به یک محافظ برق ساده محدود نشود.
درایوهای فرکانس متغیر یا VFD دارای اجزای الکترونیکی قدرت حساسی هستند.
از جمله:
IGBT
دیودها
خازنهای DC Bus
مدارهای کنترل
بردهای فرمان
منابع تغذیه داخلی
Surge میتواند به بخش ورودی درایو وارد شده و به یک یا چند بخش داخلی آسیب بزند.
گاهی اوقات خسارت بهصورت فوری مشاهده میشود و دستگاه بلافاصله خاموش میشود.
در موارد دیگر ممکن است آسیب اولیه باعث کاهش عمر قطعات شود و خرابی چند روز یا چند ماه بعد ظاهر شود.
تجهیزات ابزار دقیق معمولاً با سیگنالهای کمولتاژ کار میکنند.
سیگنالهایی مانند:
4–20 mA
0–10 V
RTD
ترموکوپل
سیگنالهای دیجیتال
در برابر نویز و اضافهولتاژ حساس هستند.
کابلهای طولانی ابزار دقیق نیز میتوانند در معرض القای الکترومغناطیسی ناشی از صاعقه قرار بگیرند.
در نتیجه، حفاظت خطوط سیگنال نیز باید در کنار حفاظت برق مورد توجه قرار گیرد.
ارت مناسب یکی از پایههای اصلی سیستم حفاظت الکتریکی است.
اما باید به یک نکته مهم توجه کرد:
ارت بهتنهایی سیستم حفاظت در برابر صاعقه نیست.
یک سیستم کامل معمولاً مجموعهای از اقدامات هماهنگ شامل:
سیستم حفاظت خارجی در برابر صاعقه؛
سیستم زمین؛
همبندی؛
SPD؛
حفاظت خطوط قدرت؛
حفاظت خطوط سیگنال؛
مدیریت مسیر کابلها؛
و رعایت فاصلههای مناسب
است.
استاندارد IEC 62305-4:2024 نیز حفاظت سیستمهای الکتریکی و الکترونیکی داخل سازه را در برابر اثرات الکترومغناطیسی صاعقه در قالب اقدامات سیستماتیک حفاظت بررسی میکند.
SPD یا Surge Protective Device وسیلهای است که برای محدود کردن اضافهولتاژ گذرا و هدایت جریان Surge به مسیر حفاظتی طراحی میشود.
به زبان ساده، SPD تلاش میکند انرژی ناگهانی Surge را قبل از رسیدن به تجهیزات حساس، کنترل و منحرف کند.
استاندارد IEC 61643-01:2024 الزامات عمومی و روشهای آزمون SPDهای ولتاژ پایین را مشخص میکند و این تجهیزات را برای حفاظت در برابر آثار مستقیم و غیرمستقیم صاعقه و سایر اضافهولتاژهای گذرا پوشش میدهد.
بهطور کلی در یک سیستم حفاظتی چندسطحی ممکن است از SPDهای مختلف استفاده شود.
SPD نوع 1
این نوع SPD برای محیطهایی با خطر بالاتر و شرایطی که باید جریانهای ضربهای ناشی از صاعقه مدیریت شوند، در طراحیهای مناسب استفاده میشود.
SPD نوع 2
معمولاً در تابلوهای توزیع و برای حفاظت در برابر Surgeهای باقیمانده و ناشی از صاعقه غیرمستقیم یا اختلالات شبکه به کار میرود.
SPD نوع 3
برای حفاظت نزدیک به تجهیزات حساس استفاده میشود و معمولاً در پاییندست سیستم حفاظت قرار میگیرد.
البته انتخاب نوع SPD نباید صرفاً بر اساس نام Type 1، Type 2 یا Type 3 انجام شود؛ هماهنگی بین تجهیزات، سطح خطر، نوع شبکه، جریان اتصال کوتاه، سطح حفاظت مورد نیاز و دستورالعمل سازنده باید بررسی شود.
یکی از اشتباهات رایج این است که تصور کنیم نصب یک SPD در ورودی کارخانه تمام مشکلات را حل میکند.
در یک تأسیسات صنعتی بزرگ ممکن است مسیرهای متعددی برای ورود Surge وجود داشته باشد.
برای مثال:
شبکه برق → تابلو اصلی → تابلو فرعی → دستگاه
و همزمان:
خط مخابرات → سوئیچ → PLC
یا:
سنسور خارجی → کابل ابزار دقیق → تابلو کنترل
بنابراین حفاظت باید بهصورت هماهنگ و چندسطحی طراحی شود.
حفاظت در برابر صاعقه فقط برای برق نیست
یک سیستم صنعتی مدرن معمولاً علاوه بر برق، تعداد زیادی مسیر ارتباطی دارد.
به همین دلیل حفاظت باید موارد زیر را نیز در نظر بگیرد:
خطوط قدرت
برای جلوگیری از انتقال Surge از شبکه برق.
خطوط کنترل
برای حفاظت PLC و سیستمهای اتوماسیون.
خطوط مخابراتی
برای حفاظت مودمها، تجهیزات مخابراتی و ارتباطات خارجی.
شبکه Ethernet
در سیستمهای صنعتی که تجهیزات شبکه از مسیرهای طولانی یا خارجی استفاده میکنند، حفاظت مناسب خط داده اهمیت دارد.
خطوط ابزار دقیق
برای حفاظت سنسورها و تجهیزات اندازهگیری.
در زمان تخلیه صاعقه، ایجاد اختلاف پتانسیل بین قسمتهای مختلف ساختمان میتواند خطرناک باشد.
همبندی مناسب باعث میشود قسمتهای فلزی مهم و مسیرهای حفاظتی تا حد امکان در یک سیستم پتانسیل کنترلشده قرار گیرند.
استانداردهای حفاظت در برابر صاعقه، همبندی و مدیریت اختلاف پتانسیل را بخش مهمی از طراحی حفاظت میدانند. IEC 62305-4 نیز بر اقدامات حفاظتی برای کاهش اثرات الکترومغناطیسی صاعقه در سیستمهای داخلی تأکید دارد.
حتی بهترین SPD نیز اگر با کابلکشی نامناسب نصب شود، ممکن است حفاظت مورد انتظار را ایجاد نکند.
موارد مهم عبارتاند از:
کوتاه نگه داشتن مسیر اتصال SPD؛
رعایت اصول مسیرگذاری کابل؛
جداسازی مناسب کابلهای قدرت و سیگنال؛
کاهش حلقههای کابل؛
توجه به کابلهای ورودی و خروجی؛
رعایت فاصله مناسب از مسیرهای جریان صاعقه.
طراحی حفاظت باید کل مسیر را در نظر بگیرد، نه فقط خود دستگاه حفاظتی.
هرچه طول یک کابل بیشتر باشد، احتمال تأثیرپذیری آن از میدان الکترومغناطیسی و القای ولتاژ نیز بیشتر میشود.
این مسئله در کارخانههایی با:
سالنهای بزرگ؛
خطوط تولید طولانی؛
سنسورهای دور از تابلو؛
کابلهای ارتباطی بین ساختمانها؛
خطوط انتقال داده در فضای باز
اهمیت بیشتری پیدا میکند.
به همین دلیل در تأسیسات گسترده، حفاظت خطوط سیگنال و ارتباطات باید همزمان با طراحی سیستم برق انجام شود.
UPS میتواند در برخی شرایط به بهبود کیفیت توان و حفاظت از بار کمک کند، اما UPS بهتنهایی سیستم حفاظت کامل در برابر صاعقه نیست.
بسته به طراحی UPS، ممکن است دستگاه در برابر برخی اختلالات و اضافهولتاژها سطحی از حفاظت ایجاد کند؛ اما حفاظت در برابر جریانهای شدید صاعقه نیازمند طراحی جامع شامل سیستم حفاظت در برابر صاعقه، زمین، همبندی و SPD مناسب است.
بنابراین نباید UPS را جایگزین سیستم Lightning Protection دانست.
در اغلب کاربردهای صنعتی، یک محافظ ساده پریز نمیتواند جایگزین سیستم مهندسیشده حفاظت در برابر Surge شود.
تجهیزات صنعتی ممکن است:
توان بالایی داشته باشند؛
جریان اتصال کوتاه بالایی در محل نصب وجود داشته باشد؛
چندین ورودی و خروجی داشته باشند؛
کابلهای طولانی داشته باشند؛
و به سیستمهای متعدد دیگر متصل باشند.
بنابراین انتخاب SPD باید بر اساس شرایط واقعی شبکه و سطح حفاظت مورد نیاز انجام شود.
از جمله تجهیزات حساس میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
تجهیز دلیل آسیبپذیری
PLC تعداد زیاد ورودی، خروجی و ارتباطات
HMI مدارهای الکترونیکی حساس
اینورتر IGBT و DC Bus
سروو درایو الکترونیک قدرت و کنترل حساس
منبع تغذیه سوئیچینگ حساسیت به اضافهولتاژ
تجهیزات ابزار دقیق سیگنالهای کمولتاژ
سنسورها کابلهای طولانی
سوئیچ شبکه مسیرهای ارتباطی متعدد
سرورها حساسیت بالا به کیفیت توان
دوربین مداربسته ارتباط همزمان برق و داده
تجهیزات مخابراتی مسیرهای خارجی و کابلهای ارتباطی
سیستم اعلام حریق خطوط طولانی و تجهیزات حساس
همیشه خرابی ناشی از صاعقه با سوختگی واضح همراه نیست.
برخی نشانهها عبارتاند از:
خاموش شدن ناگهانی دستگاه؛
سوختن منبع تغذیه؛
خطای مکرر PLC؛
خراب شدن پورت شبکه؛
از کار افتادن ورودی یا خروجی PLC؛
خرابی IGBT درایو؛
نمایش خطاهای غیرعادی؛
ریست شدن مکرر سیستم؛
کاهش پایداری تجهیزات؛
سوختن تجهیزات متصل به خطوط ارتباطی.
گاهی ممکن است فقط یک پورت ارتباطی خراب شود، در حالی که خود دستگاه همچنان روشن است.
یک راهکار حرفهای باید چند لایه داشته باشد.
لایه اول: ارزیابی ریسک
ابتدا باید مشخص شود:
موقعیت ساختمان چگونه است؟
ارتفاع ساختمان چقدر است؟
خطوط برق چگونه وارد مجموعه میشوند؟
چه تجهیزات حساسی وجود دارد؟
آیا خطوط ارتباطی خارجی وجود دارد؟
آیا ساختمان سیستم حفاظت در برابر صاعقه دارد؟
سابقه خرابی ناشی از رعد و برق وجود دارد؟
IEC 62305-1:2024 رویکرد مدیریت ریسک را در طراحی حفاظت در برابر صاعقه مورد توجه قرار میدهد.
لایه دوم: سیستم حفاظت خارجی در برابر صاعقه
در صورت نیاز، سیستم LPS شامل بخشهایی مانند:
پایانههای هوایی؛
هادیهای نزولی؛
سیستم زمین؛
همبندی
طراحی میشود.
IEC 62305-3:2024 الزامات طراحی، نصب، بازرسی و نگهداری سیستم حفاظت در برابر صاعقه را پوشش میدهد.
لایه سوم: SPD در ورودی برق
در ورودی ساختمان و تابلوهای مناسب، SPD متناسب با سیستم و سطح خطر نصب میشود.
لایه چهارم: حفاظت تابلوهای فرعی
در تأسیسات بزرگ، ممکن است نیاز به حفاظت تکمیلی در تابلوهای پاییندست وجود داشته باشد.
لایه پنجم: حفاظت تجهیزات حساس
تجهیزات بسیار حساس ممکن است به حفاظت نزدیک به بار نیاز داشته باشند.
لایه ششم: حفاظت خطوط ارتباطی
کابلهای دیتا، مخابرات، ابزار دقیق و کنترل نیز باید در صورت نیاز محافظت شوند.
خیر.
این یکی از مهمترین نکات در حفاظت صنعتی است.
ممکن است یک مجموعه سیستم زمین بسیار خوبی داشته باشد اما:
SPD مناسب نداشته باشد؛
خطوط ارتباطی بدون حفاظت باشند؛
مسیر کابلها نامناسب باشد؛
سیستم LPS ناقص باشد؛
همبندی صحیح انجام نشده باشد.
در چنین شرایطی همچنان احتمال آسیب وجود دارد.
حفاظت مؤثر در برابر صاعقه یک سیستم یکپارچه است.
این دو را نباید یکی دانست.
سیستم حفاظت در برابر صاعقه یا LPS
هدف اصلی آن مدیریت و هدایت جریان صاعقه و کاهش خطر آسیب فیزیکی به ساختمان و افراد است.
SPD
هدف آن محدود کردن اضافهولتاژ گذرا و هدایت جریان Surge در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی است.
IEC 62305-3 به حفاظت فیزیکی سازه و خطرات مرتبط با سیستم LPS میپردازد، در حالی که IEC 61643 الزامات تجهیزات SPD را پوشش میدهد.
بنابراین یک کارخانه ممکن است به هر دو سیستم نیاز داشته باشد.
پیشنهاد مطالعه: مقایسه ارت الکترونیکی و ارت چاهی؛ کدام بهتر است؟
۱. نصب یک محافظ ساده و تمام
حفاظت حرفهای چندلایه است.
۲. محافظت فقط از برق
خطوط دیتا و کنترل نیز ممکن است مسیر ورود Surge باشند.
۳. بیتوجهی به ارت
SPD بدون طراحی صحیح سیستم زمین و همبندی نمیتواند بهتنهایی یک راهکار کامل ایجاد کند.
۴. انتخاب SPD بدون محاسبه
انتخاب SPD باید با مشخصات شبکه و شرایط نصب هماهنگ باشد.
۵. کابلکشی طولانی برای اتصال SPD
مسیر اتصال نامناسب میتواند عملکرد حفاظتی را کاهش دهد.
۶. بیتوجهی به ساختمانهای مجاور
خطوط بین ساختمانها میتوانند مسیر انتقال Surge باشند.
۷. تست نکردن سیستم حفاظت
تأسیسات حفاظتی نیز مانند سایر تجهیزات نیاز به بازرسی و نگهداری دارند.
در برخی محیطها ممکن است خاموش کردن کنترلشده تجهیزات، در صورت وجود دستورالعمل مشخص، ریسک را کاهش دهد؛ اما این موضوع برای همه کارخانهها یکسان نیست.
در صنایع حساس، قطع ناگهانی برق میتواند خود باعث خطرات دیگری شود.
به همین دلیل تصمیمگیری باید بر اساس:
نوع فرآیند صنعتی؛
حساسیت تجهیزات؛
الزامات ایمنی؛
وجود UPS؛
سیستم حفاظت در برابر صاعقه؛
سیستم SPD؛
و دستورالعمل بهرهبرداری
انجام شود.
راهکار اصلی، طراحی صحیح حفاظت پیش از وقوع طوفان است، نه اتکا به خاموش کردن دستی تجهیزات در لحظه رعد و برق.
یک ارزیابی فنی مناسب میتواند شامل این مراحل باشد:
بررسی سیستم برق ورودی
بررسی سیستم زمین
بررسی همبندی
بررسی LPS
بررسی تابلوهای اصلی
بررسی SPDهای موجود
بررسی خطوط مخابرات و دیتا
بررسی کابلهای ابزار دقیق
بررسی مسیر کابلها
بررسی تجهیزات حساس
بررسی سابقه خرابی
انجام تستهای لازم
تهیه نقشه حفاظت
برنامهریزی برای نگهداری دورهای
چند استاندارد مهم در این حوزه عبارتاند از:
IEC 62305
مجموعه استانداردهای اصلی حفاظت در برابر صاعقه است.
IEC 62305-1:2024 اصول عمومی حفاظت را پوشش میدهد.
IEC 62305-3:2024 به حفاظت فیزیکی ساختمان و خطرات مرتبط با LPS میپردازد.
IEC 62305-4:2024 نیز به حفاظت سیستمهای الکتریکی و الکترونیکی داخل سازه در برابر اثرات الکترومغناطیسی صاعقه اختصاص دارد.
IEC 61643
این خانواده استانداردها الزامات مربوط به تجهیزات حفاظت در برابر Surge را پوشش میدهد.
IEC 61643-01:2024 الزامات عمومی و روشهای آزمون SPDهای ولتاژ پایین را تعیین میکند.
IEC 61643-21 نیز برای SPDهای متصل به شبکههای مخابراتی و سیگنالینگ کاربرد دارد.
هیچ سیستم حفاظتی نمیتواند در همه شرایط تضمین کند که تجهیزات در برابر هر نوع برخورد صاعقه کاملاً مصون هستند.
هدف مهندسی حفاظت، کاهش احتمال خرابی و کاهش شدت پیامدها است.
به همین دلیل طراحی باید بر اساس ریسک انجام شود.
هرچه تجهیزات:
گرانتر؛
حساستر؛
حیاتیتر؛
دورتر از تابلو اصلی؛
متصل به خطوط خارجی؛
یا دارای اهمیت عملیاتی بیشتر
باشند، توجه به حفاظت جامع اهمیت بیشتری پیدا میکند.
جمعبندی
دلیل آسیب تجهیزات صنعتی در زمان رعد و برق فقط برخورد مستقیم صاعقه نیست. اضافهولتاژهای گذرا، جریانهای Surge، القای الکترومغناطیسی، اختلاف پتانسیل زمین و انتقال انرژی از کابلهای برق و ارتباطی همگی میتوانند باعث خرابی تجهیزات شوند.
تجهیزاتی مانند PLC، اینورتر، درایو، HMI، تجهیزات ابزار دقیق، منابع تغذیه، سرورها و سیستمهای شبکه به دلیل داشتن مدارهای الکترونیکی حساس، بیشتر در معرض آسیب قرار دارند.
راهکار مؤثر نیز نصب یک محافظ ساده نیست؛ بلکه باید یک سیستم حفاظتی چندلایه شامل ارزیابی ریسک، سیستم حفاظت در برابر صاعقه، ارت و همبندی مناسب، SPDهای هماهنگ، حفاظت خطوط ارتباطی و طراحی صحیح کابلکشی ایجاد شود.
استانداردهای IEC 62305 و IEC 61643 نیز چارچوبهای مهمی برای طراحی حفاظت در برابر صاعقه و Surge ارائه میکنند.
در نهایت، اگر یک مجموعه صنعتی در منطقهای با احتمال بالای رعد و برق فعالیت میکند، حفاظت در برابر صاعقه نباید یک هزینه اضافی تلقی شود؛ بلکه بخشی از مدیریت ریسک، افزایش قابلیت اطمینان تجهیزات و جلوگیری از توقف خط تولید است.
بله. Surge منتقلشده از شبکه برق یا خطوط ارتباطی و همچنین ولتاژ القایی ناشی از میدان الکترومغناطیسی صاعقه میتواند به PLC آسیب بزند.
آیا ارت بهتنهایی از تجهیزات صنعتی در برابر صاعقه محافظت میکند؟
خیر. ارت و همبندی بخش مهمی از سیستم حفاظت هستند، اما حفاظت کامل معمولاً به LPS، SPD و حفاظت خطوط قدرت و سیگنال نیز نیاز دارد.
آیا SPD از تجهیزات در برابر صاعقه محافظت میکند؟
SPD برای محدود کردن اضافهولتاژهای گذرا و هدایت جریان Surge طراحی شده است، اما انتخاب، نصب و هماهنگی آن با کل سیستم بسیار مهم است.
آیا UPS جایگزین SPD و سیستم صاعقهگیر است؟
خیر. UPS و سیستم حفاظت در برابر صاعقه وظایف متفاوتی دارند و در بسیاری از کاربردهای حساس میتوانند در کنار یکدیگر استفاده شوند.
کدام تجهیزات صنعتی بیشتر در معرض آسیب هستند؟
PLC، اینورتر، سروو درایو، HMI، تجهیزات ابزار دقیق، منابع تغذیه، تجهیزات شبکه و سایر مدارهای الکترونیکی حساس معمولاً آسیبپذیری بیشتری دارند.
آیا خطوط شبکه و مخابرات هم نیاز به حفاظت دارند؟
در بسیاری از تأسیسات بله. خطوط ارتباطی میتوانند مسیر انتقال Surge باشند و استاندارد IEC 61643-21 نیز برای تجهیزات حفاظت در برابر Surge در شبکههای مخابراتی و سیگنالینگ الزامات مشخصی دارد.
بهترین روش جلوگیری از خسارت صاعقه چیست؟
بهترین رویکرد، طراحی یک سیستم حفاظت چندلایه و هماهنگ بر اساس ارزیابی ریسک، نوع ساختمان، سیستم برق، تجهیزات صنعتی و مسیرهای ارتباطی است؛ نه اتکا به یک تجهیز حفاظتی منفرد.
اما چرا یک صاعقه که ممکن است مستقیماً به ساختمان یا حتی چند صد متر دورتر برخورد کند، میتواند باعث سوختن یک PLC، اینورتر یا منبع تغذیه صنعتی شود؟
پاسخ در اضافهولتاژهای گذرا، جریانهای القایی، انتقال Surge از شبکه برق و خطوط ارتباطی، اختلاف پتانسیل زمین و ضعف در سیستم حفاظت نهفته است. صاعقه فقط زمانی خطرناک نیست که مستقیماً به دستگاه برخورد کند؛ حتی یک برخورد نزدیک نیز میتواند انرژی الکتریکی بسیار بزرگی را از طریق کابلهای قدرت، شبکههای مخابراتی، خطوط کنترل و زمین به تجهیزات منتقل کند. استاندارد IEC 62305-4:2024 نیز بهطور مشخص برای کاهش خطر خرابی دائمی سیستمهای الکتریکی و الکترونیکی ناشی از امواج الکترومغناطیسی صاعقه، الزامات مربوط به اقدامات حفاظت در برابر Surge را ارائه میکند.
در این مقاله بررسی میکنیم رعد و برق چگونه به تجهیزات صنعتی آسیب میزند، کدام تجهیزات آسیبپذیرتر هستند و چگونه میتوان با ارت مناسب، برقگیر، SPD، همبندی و طراحی صحیح، ریسک خسارت را کاهش داد.
رعد و برق چگونه به تجهیزات صنعتی آسیب میزند؟
برای درک موضوع ابتدا باید بدانیم که صاعقه لزوماً مانند یک اتصال مستقیم به دستگاه عمل نمیکند.وقتی صاعقه تخلیه میشود، یک جریان بسیار شدید و سریع در محیط ایجاد میکند. این جریان میتواند از مسیرهای مختلف روی شبکه برق، کابلهای ارتباطی، سازه فلزی و زمین اثر بگذارد.
مهمترین مسیرهای انتقال اثر صاعقه عبارتاند از:
برخورد مستقیم به ساختمان یا تجهیزات
برخورد به خطوط انتقال برق
برخورد نزدیک به ساختمان
القای الکترومغناطیسی در کابلها
انتقال Surge از شبکه برق
انتقال اضافهولتاژ از خطوط مخابراتی و کنترلی
ایجاد اختلاف پتانسیل بین نقاط مختلف زمین
در واقع، تجهیزات صنعتی ممکن است بدون اینکه صاعقه مستقیماً به آنها برخورد کند، در معرض یک Transient Overvoltage بسیار شدید قرار بگیرند.
اضافهولتاژ گذرا یا Surge چیست؟
یکی از مهمترین مفاهیمی که برای حفاظت تجهیزات صنعتی باید شناخت، Surge یا اضافهولتاژ گذرا است.Surge یک افزایش بسیار سریع و کوتاهمدت ولتاژ یا جریان است که میتواند در اثر صاعقه، قطع و وصل بارهای بزرگ، خطاهای شبکه و برخی تجهیزات الکتریکی ایجاد شود.
استاندارد IEC 61643-01:2024، تجهیزات حفاظت در برابر Surge یا SPD را برای حفاظت در برابر آثار مستقیم و غیرمستقیم صاعقه و سایر اضافهولتاژهای گذرا تعریف میکند. این تجهیزات برای محدود کردن ولتاژ Surge و منحرف کردن جریان Surge طراحی شدهاند.
در یک کارخانه ممکن است ولتاژ شبکه در حالت عادی 400 ولت باشد، اما یک Surge بسیار کوتاه میتواند ولتاژ بسیار بالاتری ایجاد کند.
اگر این انرژی توسط سیستم حفاظتی مهار نشود، ممکن است به اجزای الکترونیکی حساس برسد.
آیا فقط برخورد مستقیم صاعقه خطرناک است؟
خیر.یکی از رایجترین تصورات اشتباه این است که اگر صاعقه مستقیماً به کارخانه برخورد نکند، تجهیزات صنعتی در امان هستند.
در حالی که صاعقه نزدیک نیز میتواند باعث ایجاد میدان الکترومغناطیسی شدید شود و ولتاژهای ناخواسته را در کابلها القا کند.
استاندارد IEC 62305-1:2024 نیز در بحث حفاظت در برابر صاعقه، اثرات جریانهای ناشی از صاعقه و Surgeهای مورد انتظار در سیستمهای برق و مخابرات را مورد توجه قرار میدهد.
بنابراین سه حالت مهم را باید در نظر گرفت:
۱. برخورد مستقیم
صاعقه مستقیماً به ساختمان، دکل، خط برق یا یک بخش از تأسیسات برخورد میکند.
این حالت میتواند بسیار مخرب باشد.
۲. برخورد نزدیک
صاعقه در نزدیکی ساختمان یا خطوط برق و مخابرات تخلیه میشود.
میدان الکترومغناطیسی ناشی از این تخلیه میتواند ولتاژهای گذرا در هادیها ایجاد کند.
۳. برخورد دورتر اما متصل به شبکه
ممکن است صاعقه در نقطهای دورتر به شبکه برق یا خطوط متصل به کارخانه برخورد کند و Surge از طریق همان شبکه به تأسیسات برسد.
پیشنهاد مطالعه: آیا UPS بدون سیستم ارت مناسب کارایی کامل دارد؟
مهمترین دلایل آسیب تجهیزات صنعتی هنگام رعد و برق
۱. اضافهولتاژ شدید
اولین و شناختهشدهترین عامل، افزایش ناگهانی ولتاژ است.مدارهای الکترونیکی معمولاً برای محدوده مشخصی از ولتاژ طراحی شدهاند. اگر ولتاژ برای مدت بسیار کوتاه از محدوده تحمل آنها فراتر رود، ممکن است:
عایقها آسیب ببینند؛
قطعات نیمههادی بسوزند؛
خازنها خراب شوند؛
منابع تغذیه از کار بیفتند؛
بردهای الکترونیکی آسیب ببینند.
۲. افزایش شدید جریان
صاعقه علاوه بر ولتاژ بسیار بالا، جریان بسیار بزرگی نیز ایجاد میکند.
عبور جریان ضربهای از مسیرهای نامناسب میتواند موجب:
گرم شدن شدید هادی؛
تخریب اتصالات؛
ایجاد قوس الکتریکی؛
ذوب شدن قطعات؛
آسیب به تابلوها؛
و حتی ایجاد حریق
شود.
به همین دلیل سیستم حفاظت در برابر صاعقه باید بتواند جریان ضربهای را از مسیر مناسب هدایت کند.
استاندارد IEC 62305-3:2024 الزامات مربوط به سیستم حفاظت در برابر صاعقه برای جلوگیری از آسیب فیزیکی به سازه و کاهش خطرات ناشی از ولتاژ تماس و گام را مشخص میکند.
۳. القای الکترومغناطیسی
این مورد در تجهیزات صنعتی بسیار مهم است.
فرض کنید یک کابل کنترل طولانی در کارخانه وجود دارد. اگر صاعقه در نزدیکی آن تخلیه شود، میدان الکترومغناطیسی ایجادشده میتواند در این کابل ولتاژ القا کند.
این ولتاژ ممکن است از نظر انرژی کمتر از برخورد مستقیم باشد، اما برای یک مدار الکترونیکی حساس کاملاً مخرب است.
به همین دلیل کابلهای:
PLC
سنسورها
RS-485
Ethernet
سیستمهای کنترل
ابزار دقیق
دوربینها
سیستمهای اعلام حریق
میتوانند در زمان رعد و برق آسیب ببینند.
۴. انتقال Surge از کابل برق
تجهیزات صنعتی معمولاً مستقیماً به شبکه برق متصل هستند.
اگر صاعقه به شبکه یا یکی از بخشهای مرتبط با آن برخورد کند، Surge میتواند از طریق کابل برق وارد کارخانه شود.
در چنین شرایطی حتی اگر ساختمان سیستم برق مناسبی داشته باشد، تجهیزات حساس داخل آن ممکن است همچنان در معرض اضافهولتاژ قرار گیرند.
به همین دلیل استفاده از Surge Protective Device یا SPD در طراحی حفاظتی اهمیت زیادی دارد.
SPD با هدف محدود کردن اضافهولتاژ و هدایت جریان Surge طراحی شده است.
۵. انتقال Surge از خطوط ارتباطی
یکی از نقاط ضعف بسیاری از سیستمهای صنعتی این است که فقط ورودی برق را محافظت میکنند.
در حالی که یک دستگاه ممکن است از طریق چند مسیر مختلف با محیط بیرون ارتباط داشته باشد.
برای مثال یک PLC ممکن است به موارد زیر متصل باشد:
برق ورودی
شبکه Ethernet
سنسورها
خروجیهای کنترلی
RS-485
تجهیزات دیگر
اگر فقط برق ورودی مجهز به حفاظت باشد اما خط ارتباطی بدون حفاظت باقی بماند، Surge میتواند از مسیر ارتباطی وارد دستگاه شود.
استاندارد IEC 61643-21 برای تجهیزات حفاظت در برابر Surge متصل به شبکههای مخابراتی و سیگنالینگ، الزامات و آزمونهای مشخصی ارائه میکند.
۶. اختلاف پتانسیل زمین
یکی دیگر از عوامل مهم، Ground Potential Rise یا GPR است.
زمانی که جریان بسیار زیادی وارد سیستم زمین میشود، پتانسیل نقاط مختلف زمین میتواند برای مدت کوتاهی بهشدت تغییر کند.
اگر دو تجهیز به نقاطی با پتانسیل متفاوت متصل باشند، اختلاف ولتاژ ایجادشده ممکن است از طریق کابل ارتباطی یا هادی حفاظتی بین آنها عبور کند.
این اتفاق میتواند برای تجهیزات الکترونیکی بسیار خطرناک باشد.
چرا PLCها هنگام رعد و برق آسیبپذیرند؟
PLCها یکی از مهمترین تجهیزات کنترل صنعتی هستند.
آنها معمولاً به تعداد زیادی ورودی و خروجی، سنسور، عملگر و شبکه ارتباطی متصل هستند.
این یعنی یک PLC میتواند از چندین مسیر در معرض Surge قرار بگیرد.
برای مثال:
سنسور → کابل کنترل → کارت ورودی PLC
یا:
شبکه برق → منبع تغذیه → PLC
یا:
Ethernet → سوئیچ شبکه → PLC
بنابراین حفاظت PLC باید فقط به یک محافظ برق ساده محدود نشود.
چرا اینورتر و درایو در برابر صاعقه آسیب میبینند؟
درایوهای فرکانس متغیر یا VFD دارای اجزای الکترونیکی قدرت حساسی هستند.
از جمله:
IGBT
دیودها
خازنهای DC Bus
مدارهای کنترل
بردهای فرمان
منابع تغذیه داخلی
Surge میتواند به بخش ورودی درایو وارد شده و به یک یا چند بخش داخلی آسیب بزند.
گاهی اوقات خسارت بهصورت فوری مشاهده میشود و دستگاه بلافاصله خاموش میشود.
در موارد دیگر ممکن است آسیب اولیه باعث کاهش عمر قطعات شود و خرابی چند روز یا چند ماه بعد ظاهر شود.
چرا تجهیزات ابزار دقیق حساس هستند؟
تجهیزات ابزار دقیق معمولاً با سیگنالهای کمولتاژ کار میکنند.
سیگنالهایی مانند:
4–20 mA
0–10 V
RTD
ترموکوپل
سیگنالهای دیجیتال
در برابر نویز و اضافهولتاژ حساس هستند.
کابلهای طولانی ابزار دقیق نیز میتوانند در معرض القای الکترومغناطیسی ناشی از صاعقه قرار بگیرند.
در نتیجه، حفاظت خطوط سیگنال نیز باید در کنار حفاظت برق مورد توجه قرار گیرد.
نقش سیستم ارت در حفاظت از تجهیزات صنعتی
ارت مناسب یکی از پایههای اصلی سیستم حفاظت الکتریکی است.
اما باید به یک نکته مهم توجه کرد:
ارت بهتنهایی سیستم حفاظت در برابر صاعقه نیست.
یک سیستم کامل معمولاً مجموعهای از اقدامات هماهنگ شامل:
سیستم حفاظت خارجی در برابر صاعقه؛
سیستم زمین؛
همبندی؛
SPD؛
حفاظت خطوط قدرت؛
حفاظت خطوط سیگنال؛
مدیریت مسیر کابلها؛
و رعایت فاصلههای مناسب
است.
استاندارد IEC 62305-4:2024 نیز حفاظت سیستمهای الکتریکی و الکترونیکی داخل سازه را در برابر اثرات الکترومغناطیسی صاعقه در قالب اقدامات سیستماتیک حفاظت بررسی میکند.
SPD چیست و چگونه از تجهیزات صنعتی محافظت میکند؟
SPD یا Surge Protective Device وسیلهای است که برای محدود کردن اضافهولتاژ گذرا و هدایت جریان Surge به مسیر حفاظتی طراحی میشود.
به زبان ساده، SPD تلاش میکند انرژی ناگهانی Surge را قبل از رسیدن به تجهیزات حساس، کنترل و منحرف کند.
استاندارد IEC 61643-01:2024 الزامات عمومی و روشهای آزمون SPDهای ولتاژ پایین را مشخص میکند و این تجهیزات را برای حفاظت در برابر آثار مستقیم و غیرمستقیم صاعقه و سایر اضافهولتاژهای گذرا پوشش میدهد.
انواع SPD در حفاظت صنعتی
بهطور کلی در یک سیستم حفاظتی چندسطحی ممکن است از SPDهای مختلف استفاده شود.
SPD نوع 1
این نوع SPD برای محیطهایی با خطر بالاتر و شرایطی که باید جریانهای ضربهای ناشی از صاعقه مدیریت شوند، در طراحیهای مناسب استفاده میشود.
SPD نوع 2
معمولاً در تابلوهای توزیع و برای حفاظت در برابر Surgeهای باقیمانده و ناشی از صاعقه غیرمستقیم یا اختلالات شبکه به کار میرود.
SPD نوع 3
برای حفاظت نزدیک به تجهیزات حساس استفاده میشود و معمولاً در پاییندست سیستم حفاظت قرار میگیرد.
البته انتخاب نوع SPD نباید صرفاً بر اساس نام Type 1، Type 2 یا Type 3 انجام شود؛ هماهنگی بین تجهیزات، سطح خطر، نوع شبکه، جریان اتصال کوتاه، سطح حفاظت مورد نیاز و دستورالعمل سازنده باید بررسی شود.
چرا یک SPD بهتنهایی کافی نیست؟
یکی از اشتباهات رایج این است که تصور کنیم نصب یک SPD در ورودی کارخانه تمام مشکلات را حل میکند.
در یک تأسیسات صنعتی بزرگ ممکن است مسیرهای متعددی برای ورود Surge وجود داشته باشد.
برای مثال:
شبکه برق → تابلو اصلی → تابلو فرعی → دستگاه
و همزمان:
خط مخابرات → سوئیچ → PLC
یا:
سنسور خارجی → کابل ابزار دقیق → تابلو کنترل
بنابراین حفاظت باید بهصورت هماهنگ و چندسطحی طراحی شود.
حفاظت در برابر صاعقه فقط برای برق نیست
یک سیستم صنعتی مدرن معمولاً علاوه بر برق، تعداد زیادی مسیر ارتباطی دارد.
به همین دلیل حفاظت باید موارد زیر را نیز در نظر بگیرد:
خطوط قدرت
برای جلوگیری از انتقال Surge از شبکه برق.
خطوط کنترل
برای حفاظت PLC و سیستمهای اتوماسیون.
خطوط مخابراتی
برای حفاظت مودمها، تجهیزات مخابراتی و ارتباطات خارجی.
شبکه Ethernet
در سیستمهای صنعتی که تجهیزات شبکه از مسیرهای طولانی یا خارجی استفاده میکنند، حفاظت مناسب خط داده اهمیت دارد.
خطوط ابزار دقیق
برای حفاظت سنسورها و تجهیزات اندازهگیری.
همبندی چرا اهمیت دارد؟
در زمان تخلیه صاعقه، ایجاد اختلاف پتانسیل بین قسمتهای مختلف ساختمان میتواند خطرناک باشد.
همبندی مناسب باعث میشود قسمتهای فلزی مهم و مسیرهای حفاظتی تا حد امکان در یک سیستم پتانسیل کنترلشده قرار گیرند.
استانداردهای حفاظت در برابر صاعقه، همبندی و مدیریت اختلاف پتانسیل را بخش مهمی از طراحی حفاظت میدانند. IEC 62305-4 نیز بر اقدامات حفاظتی برای کاهش اثرات الکترومغناطیسی صاعقه در سیستمهای داخلی تأکید دارد.
نقش کابلکشی در کاهش خسارت صاعقه
حتی بهترین SPD نیز اگر با کابلکشی نامناسب نصب شود، ممکن است حفاظت مورد انتظار را ایجاد نکند.
موارد مهم عبارتاند از:
کوتاه نگه داشتن مسیر اتصال SPD؛
رعایت اصول مسیرگذاری کابل؛
جداسازی مناسب کابلهای قدرت و سیگنال؛
کاهش حلقههای کابل؛
توجه به کابلهای ورودی و خروجی؛
رعایت فاصله مناسب از مسیرهای جریان صاعقه.
طراحی حفاظت باید کل مسیر را در نظر بگیرد، نه فقط خود دستگاه حفاظتی.
چرا کابلهای طولانی خطر بیشتری دارند؟
هرچه طول یک کابل بیشتر باشد، احتمال تأثیرپذیری آن از میدان الکترومغناطیسی و القای ولتاژ نیز بیشتر میشود.
این مسئله در کارخانههایی با:
سالنهای بزرگ؛
خطوط تولید طولانی؛
سنسورهای دور از تابلو؛
کابلهای ارتباطی بین ساختمانها؛
خطوط انتقال داده در فضای باز
اهمیت بیشتری پیدا میکند.
به همین دلیل در تأسیسات گسترده، حفاظت خطوط سیگنال و ارتباطات باید همزمان با طراحی سیستم برق انجام شود.
آیا UPS از تجهیزات صنعتی در برابر رعد و برق محافظت میکند؟
UPS میتواند در برخی شرایط به بهبود کیفیت توان و حفاظت از بار کمک کند، اما UPS بهتنهایی سیستم حفاظت کامل در برابر صاعقه نیست.
بسته به طراحی UPS، ممکن است دستگاه در برابر برخی اختلالات و اضافهولتاژها سطحی از حفاظت ایجاد کند؛ اما حفاظت در برابر جریانهای شدید صاعقه نیازمند طراحی جامع شامل سیستم حفاظت در برابر صاعقه، زمین، همبندی و SPD مناسب است.
بنابراین نباید UPS را جایگزین سیستم Lightning Protection دانست.
آیا محافظ برق معمولی برای کارخانه کافی است؟
در اغلب کاربردهای صنعتی، یک محافظ ساده پریز نمیتواند جایگزین سیستم مهندسیشده حفاظت در برابر Surge شود.
تجهیزات صنعتی ممکن است:
توان بالایی داشته باشند؛
جریان اتصال کوتاه بالایی در محل نصب وجود داشته باشد؛
چندین ورودی و خروجی داشته باشند؛
کابلهای طولانی داشته باشند؛
و به سیستمهای متعدد دیگر متصل باشند.
بنابراین انتخاب SPD باید بر اساس شرایط واقعی شبکه و سطح حفاظت مورد نیاز انجام شود.
چه تجهیزاتی در کارخانه بیشتر در معرض آسیب هستند؟
از جمله تجهیزات حساس میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
تجهیز دلیل آسیبپذیری
PLC تعداد زیاد ورودی، خروجی و ارتباطات
HMI مدارهای الکترونیکی حساس
اینورتر IGBT و DC Bus
سروو درایو الکترونیک قدرت و کنترل حساس
منبع تغذیه سوئیچینگ حساسیت به اضافهولتاژ
تجهیزات ابزار دقیق سیگنالهای کمولتاژ
سنسورها کابلهای طولانی
سوئیچ شبکه مسیرهای ارتباطی متعدد
سرورها حساسیت بالا به کیفیت توان
دوربین مداربسته ارتباط همزمان برق و داده
تجهیزات مخابراتی مسیرهای خارجی و کابلهای ارتباطی
سیستم اعلام حریق خطوط طولانی و تجهیزات حساس
نشانههای آسیب ناشی از صاعقه چیست؟
همیشه خرابی ناشی از صاعقه با سوختگی واضح همراه نیست.
برخی نشانهها عبارتاند از:
خاموش شدن ناگهانی دستگاه؛
سوختن منبع تغذیه؛
خطای مکرر PLC؛
خراب شدن پورت شبکه؛
از کار افتادن ورودی یا خروجی PLC؛
خرابی IGBT درایو؛
نمایش خطاهای غیرعادی؛
ریست شدن مکرر سیستم؛
کاهش پایداری تجهیزات؛
سوختن تجهیزات متصل به خطوط ارتباطی.
گاهی ممکن است فقط یک پورت ارتباطی خراب شود، در حالی که خود دستگاه همچنان روشن است.
چگونه از تجهیزات صنعتی در برابر رعد و برق محافظت کنیم؟
یک راهکار حرفهای باید چند لایه داشته باشد.
لایه اول: ارزیابی ریسک
ابتدا باید مشخص شود:
موقعیت ساختمان چگونه است؟
ارتفاع ساختمان چقدر است؟
خطوط برق چگونه وارد مجموعه میشوند؟
چه تجهیزات حساسی وجود دارد؟
آیا خطوط ارتباطی خارجی وجود دارد؟
آیا ساختمان سیستم حفاظت در برابر صاعقه دارد؟
سابقه خرابی ناشی از رعد و برق وجود دارد؟
IEC 62305-1:2024 رویکرد مدیریت ریسک را در طراحی حفاظت در برابر صاعقه مورد توجه قرار میدهد.
لایه دوم: سیستم حفاظت خارجی در برابر صاعقه
در صورت نیاز، سیستم LPS شامل بخشهایی مانند:
پایانههای هوایی؛
هادیهای نزولی؛
سیستم زمین؛
همبندی
طراحی میشود.
IEC 62305-3:2024 الزامات طراحی، نصب، بازرسی و نگهداری سیستم حفاظت در برابر صاعقه را پوشش میدهد.
لایه سوم: SPD در ورودی برق
در ورودی ساختمان و تابلوهای مناسب، SPD متناسب با سیستم و سطح خطر نصب میشود.
لایه چهارم: حفاظت تابلوهای فرعی
در تأسیسات بزرگ، ممکن است نیاز به حفاظت تکمیلی در تابلوهای پاییندست وجود داشته باشد.
لایه پنجم: حفاظت تجهیزات حساس
تجهیزات بسیار حساس ممکن است به حفاظت نزدیک به بار نیاز داشته باشند.
لایه ششم: حفاظت خطوط ارتباطی
کابلهای دیتا، مخابرات، ابزار دقیق و کنترل نیز باید در صورت نیاز محافظت شوند.
آیا سیستم ارت قوی بهتنهایی کافی است؟
خیر.
این یکی از مهمترین نکات در حفاظت صنعتی است.
ممکن است یک مجموعه سیستم زمین بسیار خوبی داشته باشد اما:
SPD مناسب نداشته باشد؛
خطوط ارتباطی بدون حفاظت باشند؛
مسیر کابلها نامناسب باشد؛
سیستم LPS ناقص باشد؛
همبندی صحیح انجام نشده باشد.
در چنین شرایطی همچنان احتمال آسیب وجود دارد.
حفاظت مؤثر در برابر صاعقه یک سیستم یکپارچه است.
تفاوت سیستم حفاظت در برابر صاعقه و SPD چیست؟
این دو را نباید یکی دانست.
سیستم حفاظت در برابر صاعقه یا LPS
هدف اصلی آن مدیریت و هدایت جریان صاعقه و کاهش خطر آسیب فیزیکی به ساختمان و افراد است.
SPD
هدف آن محدود کردن اضافهولتاژ گذرا و هدایت جریان Surge در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی است.
IEC 62305-3 به حفاظت فیزیکی سازه و خطرات مرتبط با سیستم LPS میپردازد، در حالی که IEC 61643 الزامات تجهیزات SPD را پوشش میدهد.
بنابراین یک کارخانه ممکن است به هر دو سیستم نیاز داشته باشد.
پیشنهاد مطالعه: مقایسه ارت الکترونیکی و ارت چاهی؛ کدام بهتر است؟
اشتباهات رایج در حفاظت تجهیزات صنعتی از صاعقه
۱. نصب یک محافظ ساده و تمام
حفاظت حرفهای چندلایه است.
۲. محافظت فقط از برق
خطوط دیتا و کنترل نیز ممکن است مسیر ورود Surge باشند.
۳. بیتوجهی به ارت
SPD بدون طراحی صحیح سیستم زمین و همبندی نمیتواند بهتنهایی یک راهکار کامل ایجاد کند.
۴. انتخاب SPD بدون محاسبه
انتخاب SPD باید با مشخصات شبکه و شرایط نصب هماهنگ باشد.
۵. کابلکشی طولانی برای اتصال SPD
مسیر اتصال نامناسب میتواند عملکرد حفاظتی را کاهش دهد.
۶. بیتوجهی به ساختمانهای مجاور
خطوط بین ساختمانها میتوانند مسیر انتقال Surge باشند.
۷. تست نکردن سیستم حفاظت
تأسیسات حفاظتی نیز مانند سایر تجهیزات نیاز به بازرسی و نگهداری دارند.
آیا در زمان رعد و برق باید تجهیزات صنعتی را خاموش کرد؟
در برخی محیطها ممکن است خاموش کردن کنترلشده تجهیزات، در صورت وجود دستورالعمل مشخص، ریسک را کاهش دهد؛ اما این موضوع برای همه کارخانهها یکسان نیست.
در صنایع حساس، قطع ناگهانی برق میتواند خود باعث خطرات دیگری شود.
به همین دلیل تصمیمگیری باید بر اساس:
نوع فرآیند صنعتی؛
حساسیت تجهیزات؛
الزامات ایمنی؛
وجود UPS؛
سیستم حفاظت در برابر صاعقه؛
سیستم SPD؛
و دستورالعمل بهرهبرداری
انجام شود.
راهکار اصلی، طراحی صحیح حفاظت پیش از وقوع طوفان است، نه اتکا به خاموش کردن دستی تجهیزات در لحظه رعد و برق.
چگونه سیستم حفاظت کارخانه را بررسی کنیم؟
یک ارزیابی فنی مناسب میتواند شامل این مراحل باشد:
بررسی سیستم برق ورودی
بررسی سیستم زمین
بررسی همبندی
بررسی LPS
بررسی تابلوهای اصلی
بررسی SPDهای موجود
بررسی خطوط مخابرات و دیتا
بررسی کابلهای ابزار دقیق
بررسی مسیر کابلها
بررسی تجهیزات حساس
بررسی سابقه خرابی
انجام تستهای لازم
تهیه نقشه حفاظت
برنامهریزی برای نگهداری دورهای
استانداردهای مهم برای حفاظت در برابر رعد و برق
چند استاندارد مهم در این حوزه عبارتاند از:
IEC 62305
مجموعه استانداردهای اصلی حفاظت در برابر صاعقه است.
IEC 62305-1:2024 اصول عمومی حفاظت را پوشش میدهد.
IEC 62305-3:2024 به حفاظت فیزیکی ساختمان و خطرات مرتبط با LPS میپردازد.
IEC 62305-4:2024 نیز به حفاظت سیستمهای الکتریکی و الکترونیکی داخل سازه در برابر اثرات الکترومغناطیسی صاعقه اختصاص دارد.
IEC 61643
این خانواده استانداردها الزامات مربوط به تجهیزات حفاظت در برابر Surge را پوشش میدهد.
IEC 61643-01:2024 الزامات عمومی و روشهای آزمون SPDهای ولتاژ پایین را تعیین میکند.
IEC 61643-21 نیز برای SPDهای متصل به شبکههای مخابراتی و سیگنالینگ کاربرد دارد.
آیا تجهیزات صنعتی در برابر صاعقه کاملاً قابل محافظت هستند؟
هیچ سیستم حفاظتی نمیتواند در همه شرایط تضمین کند که تجهیزات در برابر هر نوع برخورد صاعقه کاملاً مصون هستند.
هدف مهندسی حفاظت، کاهش احتمال خرابی و کاهش شدت پیامدها است.
به همین دلیل طراحی باید بر اساس ریسک انجام شود.
هرچه تجهیزات:
گرانتر؛
حساستر؛
حیاتیتر؛
دورتر از تابلو اصلی؛
متصل به خطوط خارجی؛
یا دارای اهمیت عملیاتی بیشتر
باشند، توجه به حفاظت جامع اهمیت بیشتری پیدا میکند.
جمعبندی
دلیل آسیب تجهیزات صنعتی در زمان رعد و برق فقط برخورد مستقیم صاعقه نیست. اضافهولتاژهای گذرا، جریانهای Surge، القای الکترومغناطیسی، اختلاف پتانسیل زمین و انتقال انرژی از کابلهای برق و ارتباطی همگی میتوانند باعث خرابی تجهیزات شوند.
تجهیزاتی مانند PLC، اینورتر، درایو، HMI، تجهیزات ابزار دقیق، منابع تغذیه، سرورها و سیستمهای شبکه به دلیل داشتن مدارهای الکترونیکی حساس، بیشتر در معرض آسیب قرار دارند.
راهکار مؤثر نیز نصب یک محافظ ساده نیست؛ بلکه باید یک سیستم حفاظتی چندلایه شامل ارزیابی ریسک، سیستم حفاظت در برابر صاعقه، ارت و همبندی مناسب، SPDهای هماهنگ، حفاظت خطوط ارتباطی و طراحی صحیح کابلکشی ایجاد شود.
استانداردهای IEC 62305 و IEC 61643 نیز چارچوبهای مهمی برای طراحی حفاظت در برابر صاعقه و Surge ارائه میکنند.
در نهایت، اگر یک مجموعه صنعتی در منطقهای با احتمال بالای رعد و برق فعالیت میکند، حفاظت در برابر صاعقه نباید یک هزینه اضافی تلقی شود؛ بلکه بخشی از مدیریت ریسک، افزایش قابلیت اطمینان تجهیزات و جلوگیری از توقف خط تولید است.
سوالات متداول
آیا رعد و برق میتواند بدون برخورد مستقیم باعث سوختن PLC شود؟بله. Surge منتقلشده از شبکه برق یا خطوط ارتباطی و همچنین ولتاژ القایی ناشی از میدان الکترومغناطیسی صاعقه میتواند به PLC آسیب بزند.
آیا ارت بهتنهایی از تجهیزات صنعتی در برابر صاعقه محافظت میکند؟
خیر. ارت و همبندی بخش مهمی از سیستم حفاظت هستند، اما حفاظت کامل معمولاً به LPS، SPD و حفاظت خطوط قدرت و سیگنال نیز نیاز دارد.
آیا SPD از تجهیزات در برابر صاعقه محافظت میکند؟
SPD برای محدود کردن اضافهولتاژهای گذرا و هدایت جریان Surge طراحی شده است، اما انتخاب، نصب و هماهنگی آن با کل سیستم بسیار مهم است.
آیا UPS جایگزین SPD و سیستم صاعقهگیر است؟
خیر. UPS و سیستم حفاظت در برابر صاعقه وظایف متفاوتی دارند و در بسیاری از کاربردهای حساس میتوانند در کنار یکدیگر استفاده شوند.
کدام تجهیزات صنعتی بیشتر در معرض آسیب هستند؟
PLC، اینورتر، سروو درایو، HMI، تجهیزات ابزار دقیق، منابع تغذیه، تجهیزات شبکه و سایر مدارهای الکترونیکی حساس معمولاً آسیبپذیری بیشتری دارند.
آیا خطوط شبکه و مخابرات هم نیاز به حفاظت دارند؟
در بسیاری از تأسیسات بله. خطوط ارتباطی میتوانند مسیر انتقال Surge باشند و استاندارد IEC 61643-21 نیز برای تجهیزات حفاظت در برابر Surge در شبکههای مخابراتی و سیگنالینگ الزامات مشخصی دارد.
بهترین روش جلوگیری از خسارت صاعقه چیست؟
بهترین رویکرد، طراحی یک سیستم حفاظت چندلایه و هماهنگ بر اساس ارزیابی ریسک، نوع ساختمان، سیستم برق، تجهیزات صنعتی و مسیرهای ارتباطی است؛ نه اتکا به یک تجهیز حفاظتی منفرد.