۱- مقدمه

برقگیر اکسید فلزی یک از متداولترین برقگیرهایی هست که در صنعت برق از آنها استفاده می شود. از زمان استفاده از برقگیرهای قدیمی فاصله هوایی مدت زیادی نمی گذرد که طراحی برقگیرها بصورت قابل توجهی ساده شد. ساخت برقگیرهای پلیمری تا زمانی که روش طراحی برقگیرهای اکسید فلزی بدون فاصله هوایی معرفی شد ممکن نبود. به عنوان یک پیشرفت چشمگیر، برقگیرهای اکسید فلزی می توانستند فقط با یک عنصر اکتیو موثر که مقاومت اکسید فلز نام دارد ساخته شوند. این برقگیرها باید قادر می بودند که انرژی تزریق شده در طول دشارژ را جذب کنند و در نتیجه جریان جاری شده بر اثر اضافه ولتاژ های را در خطوط برق محدود کنند. در نتیجه، توسعه مقاومت های اکسید فلز و تکنولوژی ساخت آنها که از ساخت مقاومت های سیلیکونی پیچیده تر است از اهمیت بالایی برخوردار است. بخش اصلي اين برقگيرها وريستورهايي بصورت سراميك هستند  كه ماده تشكيل دهنده شان آميزه‌اي از اكسيدهاي فلزات مختلف است. قسمت اصلي اين سراميكها را اكسيد روي تشكيل مي‌دهد و اكسيدها ديگري از قبيل آنتيموان،‌بيسموت، منگنز و كبالت به آن اضافه شده‌اند. با توجه به اينكه اكسيد روي حدود ۹۵ درصد اين وريستورها را تشكيل مي‌دهد.

۲- ساختمان برقگیر

برقگیرها با جذب انرژی اضافه ولتاژهای گذرا و تبدیل آن به گرما، موجب محدود شدن سطح اضافه ولتاژها می گردند. گرما ودمای قرصهای برقگیر از عوامل اصلی در کیفیت کارکرد برقگیرها بوده و نقش اصلی در تنش های حرارتی- مکانیکی ، افزایش جریان نشتی و گریز حرارتی دارا می باشد. مدل الکتریکی جهت شبیه سازی دقیق رفتار برقگیر در قبال اضافه ولتاژها ، لحاظ نمودن اثر دما بر روی جریان نشتی و مدل حرارتی انتقال گرمای برقگیر همگی در یک مجموعه منسجم، مدل الکترو-حرارتی برقگیر را ارائه می دهند. ستون قرصهای برقگیر، در حالت عادی شبکه به مثابه ستونی از عایق عمل نموده و تنها جریان نشتی ناچیزی از آن عبور می-نماید، که ضریب دمایی آن منفی می باشد، به این معنا که افزایش دمای قرصها منجر به افزایش دامنه جریان نشتی می-گردد، واین خود گرمایش بیشتر قرصها را در پی دارد. دمای قرصهای برقگیر از عوامل اصلی در کیفیت کارکرد برقگیرها بوده و نقش اصلی در تنش های حرارتی- مکانیکی،افزایش جریان نشتی و گریز حرارتی دارد لذامحاسبه دقیق انرژی الکتریکی ورودی ناشی از تنشهای الکتریکی به منزله توان حرارتی ورودی و چگونگی انتقال حرارت به خارج محفظه در نقش توان خروجی حائز اهمیت می باشد، در این میان تفاوت توان ورودی و توان خروجی برقگیر عامل گرمایش قرصهای برقگیر است.از حاصلضرب جریان عبوری لحظه ای و ولتاژ دو سربرقگیر، توان لحظه ای ورودی به برقگیر حاصل می شود.در حالت عملکرد برقگیر ،تمامی این توان بطور تقریبی معادل توان تلف شونده در برقگیر است اما درحالت عادی کارکردسیستم،از آنجا که جریان دارای مولفه اهمی وخازنی است توان ورودی شامل توان حقیقی و توان راکتیو است. حرارت ایجاد شده در قرص ها از طریق انتقال حرارت از بدنه برقگیر گذشته و به محیط اطراف منتقل می گردد. شکل ۱ ساختمان یک دستگاه برقگیر اکسید فلز با پوشش چینی را نشان می دهد که برای کاربردهای ولتاژ بالا ساخته شده است. ستون مقاومت اکسید فلز به عنوان بخش فعال (عمل حفاظت را بر عهده دارد) برقگیر شناخته می شود. این مقاومت ها معمولا بصورت استوانه ای ساخته می شوند. قطر آنها بطور دقیقی میزان انرژی جذب شده و قابلیت تحمل جریان را تعیین می کند. قطر آنها در محدوده ۳۰ میلیمتر در سیستم های توزیع تا ۱۰۰ میلیمتر یا بیشتر در  سیستم های ولتاژ بالا یا فوق ولتاژ بالا یا کاربردهای خاص می باشد. در بعضی کاربردهای خاص ولتاژ بالا، قسمت اکتیو یا همان مقاومت اکسید فلز بصورت چند ستونی ساخته می شود که با یکدگیر موازی شده اند.

ارتفاع مقاومت های اکسید فلز یا همان قرص های برقگیر متغیر است و در اندازه های ۲۰ میلیمتر تا ۴۵ میلیمتر ساخته می شوند. این اندازه معمولا مبتنی بر دستگاه های تولیدی کارخانه جات سازنده می باشد. اما ساخت هر ارتفاع دیگری جایز نیست. زیرا هر چه ارتفاع مقاوت بیشتر شود، دستیابی به همسانی مواد مقاومتی در طول پروسه تولید مشکلتر می شود. ولتاژ باقیمانده در هر میلیمتر از ارتفاع مقاومت در طول ضربه جریان صاعقه با مقدار پیک ۱۰ کیلو آمپر، که عموما ۱۰ کیلوآمپر ولتاژ باقیمانده نیز گفته می شود، در محدوده ۴۵۰ V/mm برای یک مقاومت نمونه در برقگیر شبکه توزیع (با قطر ۳۲ میلیمتر) تا ۲۸۰ V/mm برای یک برقگیر استفاده شده در سیستم انتقال ۴۲۰ KV با قطر مقاومت ۷۰ میلیمتر می باشد.

شکل ۱) ساختمان برقگیر اکسید فلز

بدنه برقگیر علاوه بر حفاظت بخش اکتیو برقگیر در برابر عوامل محیطی، باید فاصله خزشی مناسبی را ارائه دهد. بدنه برقگیر به لبه هایی آویزی یا shed مجهز می شود که طراحی آنها کاملا متفاومت است. برای طراحی لبه آویزی بدنه برقگیر از استاندارد IEC  ۶۰۸۱۵ استفاده می شود که همه سازندگان ملزم به رعایت آن هستند. در این استاندارد دو نوع shed برای بدنه برقگیر در نظر گرفته شده است که در شکل ۲ نشان داده شده اند. این دو نوع ساختار پروفیل متناوب و پروفیل نرمال نام دارند. هیچ توصیه کلی وجود ندارد که استفاده از کدام نوع پروفیل برای ساخت بدنه برقگیر ارجحیت دارد.

شکل ۲) بدنه برقگیر

یک روش ساخت کاملا متفاوت برقگیرهای سطح توزیع در شکل ۳ نشان داده شده است. به دلیل خطاهای ناشی از جریان نشتی در برقگیرهای ارزان چینی در سیستم توزیع، برقگیرهایی با بدنه پلیمری برای اولین بار در سال ۱۹۸۰ وارد بازار شدند. در آن ساختار جدید، مقاومت اکسید فلز مستقیما داخل محفظه پلیمری قرار می گرفت. در نتیجه نیاز به گازی که خلأ بین بدنه و مقاومت را در برقگیرهای چینی پر میکرد از بین رفت.

در برقگیرهای با بدنه چینی، ویژگی های مختلف از قبیل حفاظت در برابر اثرات محیطی و ارائه فاصله خزشی مناسب از یک سو، و نیروی مکانیکی از سوی دیگر همه در یک بخش خلاصه می شد. اما در برقگیرهای با بدنه پلیمری، این ویژگی ها توسط دو بخش مختلف ارائه می شوند. قدرت مکانیکی تقریبا همیشه با استفاده از مواد پلاستیکی فایبرگلاس حاصل می شود. در شکل ۳ خطوط عمودی که مقاومت های اکسید فلز را احاطه کرده اند این قابلیت را نشان می دهند (FPR roads).

شکل ۳) ساختمان برقگیر پلیمری

سمینار کارشناسی ارشد برق در زمینه برقگیر و حفاظت سیستم قدرت

مجموع مقاومت های اکسید فلز و نوارهای پلاستیکی اطراف آن در یک قالب قرار می گیرند و سپس با لاستیک سیلیکونی پوشیده می شوند. در واقع جنس بدنه برقگیر لاستیک سیلیکونی است که در مقایسه با سایر موادی که عموما استفاده می شوند دارای قابلیت پایداری بسیار بالایی است. یکی دیگر از مزایای استفاده از بدنه لاستیک سیلیکونی خاصیت ضد آب بودن آن است به گونه ای که آب را به خود نگه نمی دارد. به عبارتی دیگر لاستیک سیلیوکنی خاصیت آب گریزی دارد. حتی اگر سطح بدنه برقگیر به شدت آلوده باشد، این آلودگی به راحتی با آب برطرف می شود. از دیگر مزایای برقگیرهای پلیمری می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• دارای وزن کمتری نسبت به برقگیرهای چینی هستند.
• به دلیل استفاده از مواد ارتجاعی در بدنه، حمل و نقل آنها دارای هیچ ریسکی نمی باشد.
• هزینه تولید آنها نسبت به برقگیرهای چینی به مراتب کمتر است.

قابل ذکر است که یکی از قديمي نوع برقگیرها، برقگيرهاي سيليكون كاربيد هستند. با وجود مزاياي بسيار اين نوع برقگيرها، حساسيت قرص هاي برقگيرهاي اكسيد فلز در برابر اثرات حرارتي جريان هاي گذراي عبوري و نيز حساسيت آنها در برابر جريان نشتي دائمي، حساسيت اين نوع برقگيرها در برابر اضافه ولتاژهاي موقتي، كاهش عمر اين برقگيرها در شرايط آب و هوايي مرطوب و اثرپذيري عملكرد آنها از مقاومت زمين برقگير از جمله مشكلات اين نوع برقگیرها است. در اين راستا محققان مختلف تلاش هايي براي ساخت انواع جديدتر برقگيرها را انجام دادهاند و برقگيرهاي چندمحفظه اي نيز در همين راستا پيشنهاد شدهاند. سادگي ساختار، راحتي نصب، مقاومت بالا در برابر شرايط سنگين آب و هوايي، عدم تاثيرپذيري عملكرد برقگير از مقاومت زمين برقگير و عمر بالا از مزاياي مورد اشاره توسط سازنده اين نوع از برقگيرها ميباشد . اين برقگيرها با توجه به تعداد زياد الكترودها در هنگام وقوع اضافه ولتاژهاي ناشي از صاعقه به برقگير، فاصله هوايي بين الكترودها دچار شكست الكتريكي مي شود. در اثر تخليه بين الكترودها در درون فضاي بسيار كم بين الكترودها، افزايش فشار هوا باعث خروج جرقه به سمت بيرون محفظه از طريق كانال هاي تخليه مي گردد. اين فرآيند باعث افزايش طول كانال تخليه و در نتيجه افزايش مقاومت كانال و محدود شدن اضافه ولتاژ ناشي از صاعقه مي شود.

حفاظت از خطوط هوايي در مقابل صاعقه با استفاده از تكنيك ايجاد چندين فاصله هوايي سري براي جرقه زني و خاموش سازي قوس داراي تاريخچه طولاني مي باشد. استفاده از سيستم هاي چند فاصله هوايي بصورت براي SiC تركيب سري با مقاومت هاي غيرخطي برقگيرهاي شناخته شده حفاظت تجهيزات پست در مقابل اضافه ولتاژ كه در زمان خود نتايج موفقيت آميزي را نيز در برداشته است، از جمله اين تجربيات ميباشد. در سالهاي اخير شركت استريمر در كشور روسيه فعاليت هايي را در زمينه توسعه برقگيرهاي چند محفظه اي انجام داده است. كه از جمله آ نها موفقيت در توليد برقگيرهايي در رنج ۱۰ تا ۳۵ كيلوولت و همچنين دستگاه جديد برقگير مقره اي چند محفظه اي كه تركيبي از ويژگي ها و توانمندي هاي برقگير و مقره می باشد. برقگيرهاي مقره اي چند محفظه اي توانايي حفاظت از خطوط هوايي در برابر صاعقه را در هر رنج ولتاژي دارا مي باشند. افزايش ولتاژ خط نيازمند افزايش واحدهاي زنجيره اي برقگير، رنج ولتاژ و توانايي خاموش كردن قوس زنجيره برقگير مقره مي باشد. شکل ۴ یک نمونه برقگیر چند محفظه ای را نشان می دهد.

شکل ۴) برقگیر چند محفظه ای