وبلاگ

فیزیک ضربه‌های الکتریکی در هنگام وقوع صاعقه

هنگامی که صاعقه به زمین می‌خورد، در عرض چند میلیونیم ثانیه حدود یک میلیارد ولت برق آزاد می‌کند، که این امر باعث ایجاد نوسانات ناگهانی ولتاژ می‌شود که از طریق مواد هادی مانند کابل‌های هم‌محور سیر می‌کنند. آنچه اتفاق می‌افتد در واقع بسیار ساده است. میدان الکترومغناطیسی ناشی از برخورد صاعقه باعث جریان الکتریکی در سیم‌ها و دیگر هادی‌های اطراف می‌شود، و این امر اغلب باعث ایجاد باری بیش از ظرفیت عایق‌بندی و قطعات الکترونیکی می‌گردد. بر اساس تحقیقات منتشر شده توسط NEMA در سال گذشته، حتی در صورتی که صاعقه مستقیماً به چیزی برخورد نکند، تنها نزدیک بودن آن می‌تواند ولتاژهایی بالاتر از ۱۰ هزار ولت ایجاد کند. بیشتر وسایل الکترونیکی خانگی فقط برای تحمل ولتاژهای بین ۱,۰۰۰ تا ۳,۰۰۰ ولت طراحی شده‌اند، در غیر این صورت دچار خرابی می‌شوند. به همین دلیل است که استفاده مناسب از حفاظت در برابر اضافه ولتاژ برای هر دستگاهی که به خطوط برق یا سیستم‌های ارتباطی متصل است بسیار مهم است.

نقش اتصال به زمین در هدایت گذردهای با ولتاژ بالا

کیت‌های ارتینگ با ایجاد یک مسیر با مقاومت بسیار کم (معمولاً کمتر از 25 اهم مطابق راهنمایی‌های IEEE 1100) برای سرریزهای الکتریکی عمل می‌کنند. وقتی روکش کابل‌های هم‌محور را به سیم‌های مسی ارتینگ با سایز حداقل 10 AWG متصل می‌کنیم، بیشتر انرژی سرریز به‌طور ایمن به زمین هدایت می‌شود. آزمایش‌های انجام‌شده تحت استانداردهای UL 1449 نشان می‌دهند که این سیستم‌ها می‌توانند بیش از 95٪ از الکتریسیته خطرناک را از تجهیزات ما دور کنند. این بدان معناست که آسیب‌های گران‌قیمت به برد مدارهای الکترونیکی که ممکن است خطوط مسی آن تبخیر شوند یا دیودها و ترانزیستورها در اتصالات خود دچار خرابی شوند، بسیار کمتر احتمال دارد رخ دهد.

نحوه پایدار کردن پتانسیل سیستم توسط ارتینگ در زمان سرریزها

درست انجام دادن اتصال به زمین (Grounding) به کاهش اختلاف ولتاژهای خطرناک بین تجهیزات و خود زمین کمک می‌کند و از تشکیل قوس‌های الکتریکی مخرب در سراسر قطعات جلوگیری می‌کند. ما این موضوع را در آزمایش‌هایی که سال گذشته در فلوریدا انجام دادیم به خوبی مشاهده کردیم؛ در آن آزمایش‌ها سیستم‌هایی که به درستی اتصال زمین داشتند، ولتاژها را حتی در زمانی که صاعقه در نزدیکی آن‌ها رخ داد در حدود ۵۰۰ ولت نگه داشتند. اما تجهیزات بدون اتصال زمین؟ آن‌ها به میزان قابل توجهی تا ۸۲۰۰ ولت افزایش یافتند! این تفاوت ولتاژ در حفاظت از مدارهای پردازش سیگنال ظریفی که در تجهیزات ویدئویی با وضوح بالا و سخت‌افزار شبکه امروزی به کار می‌روند، بسیار مهم است. بدون رعایت شیوه‌های مناسب اتصال زمین، این تجهیزات گران‌قیمت هیچ شانسی در برابر قدرت الکتریکی طبیعت نخواهند داشت.

راه‌هایی که کابل‌های هم‌محوری برای هدایت نوسانات ناشی از صاعقه به تجهیزات ایجاد می‌کنند

مسیرهای نفوذ نوسانات ناشی از صاعقه از طریق خطوط هم‌محوری

کابل‌های هم‌محور می‌توانند به دلیل روکش فلزی خود، به عنوان راه‌هایی غیرمنتظره برای سرعت‌گیری صاعقه عمل کنند. صاعقه‌ای که در نزدیکی یک نصب اتفاق بیفتد، میدان‌های الکترومغناطیسی قوی ایجاد می‌کند که ولتاژهای بزرگی را از طریق این کابل‌ها منتقل می‌کنند و گاهی به بیش از ۱۰۰ کیلوولت می‌رسند. این ولتاژ مستقیماً از طریق کابل به تجهیزات متصل در سر دیگر حرکت می‌کند. لایه بیرونی کابل عملاً مانند یک بزرگ‌راه برای این انرژی عمل می‌کند تا چیزی آن را متوقف کند. در اینجا اتصال به زمین مناسب اهمیت پیدا می‌کند. یک سیستم اتصال به زمین با کیفیت مناسب، این سرعت‌های خطرناک را می‌گیرد و آن‌ها را به طور ایمن به زمین منتقل می‌کند، بجای اینکه به الکترونیک‌های حساس آسیب برسانند.

مطالعه موردی: آسیب ناشی از سرعت به تلویزیون و تجهیزات شبکه

در اواخر سال 2023، یک صاعقه به یک خانه در تامپا، فلوریدا، برخورد کرد و خسارات جدی به تجهیزات الکترونیکی متصل شده از طریق کابل‌های هم‌محور وارد آمد. ضربه الکتریکی از طریق اتصال بشقاب ماهواره‌ای عبور کرد به جای اینکه در ورودی‌های HDMI تلویزیون متوقف شود و در نهایت باعث آسیب دیدن سیستم سینمای خانگی و از بین رفتن کامل پورت اترنت روتر وای‌فای شد. صاحبان خانه مجبور شدند هزینه‌هایی بالغ بر دو هزار و هشتصد دلار را برای تعویض قطعات آسیب دیده از این یک رویداد طوفانی پرداخت کنند. این مثال واقعی یادآوری کننده اهمیت اتصال به زمین مناسب برای تمامی نصب‌های هم‌محور است، به‌ویژه زمانی که آب‌وهوای شدید در منطقه پیش‌بینی می‌شود.

آستانه‌های ولتاژی که باعث آسیب دیدن قطعات الکترونیکی می‌شوند

دستگاه‌های الکترونیکی معمولی نمی‌توانند ولتاژهایی بالاتر از ۱۰۰۰ ولت را تحمل کنند، در حالی که صاعقه‌ها به طور معمول دارای بیش از ۱۰٬۰۰۰ ولت هستند. این موضوع مشکلات جدی برای وسایل الکترونیکی ما در زمان طوفان‌ها ایجاد می‌کند. مودم‌های کابلی معمولاً در برابر ولتاژهای ۹۰۰ تا ۱۲۰۰ ولت دچار خرابی می‌شوند، در حالی که مبدل‌های تلویزیون حتی شکننده‌تر هستند و در حدود ۸۰۰ ولت دچار آسیب می‌شوند. واقعیت این است که مقاوم‌ترین قطعات در این شرایط سوئیچ‌های اترنت با مدارهای مجتمع آن‌ها هستند که تا حدود ۱۵۰۰ ولت مقاومت می‌کنند و سپس خراب می‌شوند. سیستم‌های ارتینگ با هدایت این ضربه‌های خطرناک از طریق مسیرهای خاصی که ولتاژ را به زیر ۱۰۰ ولت کاهش می‌دهند، نقش نجات‌دهنده را ایفا می‌کنند. این اقدامات ایمنی به طور واقعی از سوختن تجهیزات گران‌قیمت در طول توفان‌های الکتریکی جلوگیری می‌کنند.

اجزاء و طراحی کیت ارتینگ کابل هم‌محور

تجزیه و تحلیل اجزای کیت ارتینگ: بلوک، کلمپ و اتصال‌دهنده‌ها

کیت‌های ارتینگ کابل کواکسیل معمولاً شامل سه قسمت اصلی هستند: یک بلوک ارت، نوعی فیکس‌کننده (کلمپ)، و همچنین چندین نوع کانکتور. بلوک ارت در واقع مسیر هدایت الکتریکی را از روکش خارجی کابل کواکسیل به سیستم ارت فراهم می‌کند. در همین حال، کلمپ دو کارکرد دارد: از یک سو قطعات را از نظر مکانیکی در کنار هم نگه می‌دارد و از سوی دیگر اتصال الکتریکی را حفظ می‌کند. در مورد کانکتورها، کیفیت نقش بسیار مهمی دارد چون باید امپدانس به‌خوبی با هم تطبیق داشته باشند. این امر به کاهش اتلاف سیگنال کمک می‌کند که در مواقعی که اضافه ولتاژ رخ می‌دهد بسیار حیاتی است. بدون تطبیق مناسب امپدانس، داده‌ها می‌توانند در این گونه اختلالات الکتریکی دچار خرابی یا از دست دادن کامل شوند.

ارتباط بین کابل‌های کواکسیل و کیت‌های ارتینگ به زبان ساده

درست کردن نصب به این معنی است که بخش خارجی کابل هم‌محور را با استفاده از یک کانکتور فشرده‌سازی به بلوک ارت (Grounding Block) متصل کنید. این اتصال مسیری ایجاد می‌کند که اجازه می‌دهد ولتاژهای ناگهانی (الکتریکی) به‌طور ایمن از دستگاه‌های گران‌قیمت ما دور شوند و به آن‌ها آسیبی نرسد. وقتی با چندین دستگاه در یک سیستم سروکار داریم، بیشتر مردم بلوک‌های ارت را همراه با محافظ‌های در برابر نوسانات ولتاژ (Surge Protectors) در همان نقطه‌ای که کابل‌ها وارد خانه می‌شوند نصب می‌کنند. این ترکیب به خوبی در حفاظت از وسایلی مانند تلویزیون‌ها، مودم‌های اینترنتی و روترهای بی‌سیم در طول طوفان‌های رعدوبرق ناپیش‌بینی‌شده به کار می‌آید.

اهمیت اندازه مناسب سیم ارت (مثلاً سیم مسی 10 AWG)

سیم‌های مسی ارت باید استانداردهای NEC مقاله 810 را رعایت کنند، با 10 AWG که حداقل اندازه پیشنهادی برای نصب‌های مسکونی محسوب می‌شود. برای سیستم‌های تجاری که جریان‌های ضربه‌ای بالاتری را مدیریت می‌کنند، قطرهای بزرگتر (به عنوان مثال، 6 AWG) مورد نیاز است. سایز بندی نامناسب سیم‌ها مقاومت الکتریکی را افزایش داده و کارایی پراکندگی جریان ضربه‌ای را تا 60% کاهش می‌دهد، مطابق با پروتکل‌های آزمون UL 467.

استانداردهای مواد و دوام در نصب‌های بیرونی

کیت‌های ارتینگ با کیفیت بالا معمولاً از موادی ساخته شده‌اند که در برابر خوردگی مقاومت می‌کنند، مانند سیم مسی اندود شده با قلع و اتصال‌دهنده‌های فولادی ضدزنگ که برای تحمل پرتوهای فرابنفش و شرایط مرطوب طراحی شده‌اند. هنگام خرید، بررسی کنید که آیا قطعات دارای گواهی‌نامه UL 467 هستند که استانداردهای ایمنی ارتینگ را پوشش می‌دهد، یا به دنبال رعایت استاندارد ANSI/TIA-607 باشید که به طور خاص برای نصب‌های مخابراتی تعیین شده است. کیت‌هایی که با این مشخصات ساخته شده‌اند، حتی در شرایط سخت، معمولاً بیش از بیست سال دوام می‌آورند. ما در حال صحبت از همه چیز از هواهای شور ساحلی گرفته تا مناطقی که دما بین ۴۰- درجه فارنهایت سرمای شدید تا ۱۵۰ درجه فارنهایت گرمای شدید تغییر می‌کند بدون اینکه دچار خرابی شوند.

بهترین روش‌ها برای نصب کیت ارتینگ کابل هم‌محور

راهنمای گام به گام برای نصب محافظ ولتاژ کابل هم‌محور

ابتدا کابل هم‌محور را در فاصله‌ای حدود 12 تا 18 اینچی از محل ورود به ساختمان قطع کنید. یک ابزار تراکمی با کیفیت خوب برای کابل هم‌محور بردارید و اتصال‌دهنده‌های F ضد آب را روی هر دو سر آن نصب کنید. نصب بلوک اتصال به زمین را هم فراموش نکنید. این بلوک را بین دیوار خارجی و تجهیزات داخلی قرار دهید و مطمئن شوید که تماس خوبی با یک جسم اتصال‌داده‌شده به زمین مانند یک میله فلزی فرو رفته در زمین یا یک لوله آب سرد قدیمی که از دیوار زیرزمینی عبور می‌کند، داشته باشد. هنگام محکم کردن تمام این اتصالات، به جای استفاده از کلمپ‌های معمولی، از کلمپ‌های مقاوم در برابر خوردگی استفاده کنید. برای آب‌بندی اتصالات بیرونی، از آن ماده سیلیکونی مقاوم در برابر اشعه ماوراء بنفش استفاده کنید که در فروشگاه‌های لوازم ساختمانی می‌فروشند. فقط به اندازه کافی از آن را استفاده کنید تا یک مانع مناسب ایجاد شود، بیش از حد استفاده نکنید تا بعداً باعث درهم‌ریختگی ناشی از سیلیکون اضافی نشوید.

روش‌های اتصال به زمین برای دکل‌های آنتن و نصب‌های روی پشت بام

دکمه آنتن باید به درستی به سیستم ارتینگ متصل شود که همراه با کابل کواکسیال استفاده می‌شود. هنگام نصب روی پشت بام‌ها، بهترین روش این است که میله‌های مسی 8 فوتی را در کنار دکمه آنتن تا عمق حداقل 6 فوت در زمین فرو کنید. اتصال مناسب بین دکمه و میله را می‌توان با استفاده از کلمپ شکافدار و همراهی با سیم مسی 10 AWG ایجاد کرد. در مناطق سنگی کار کمی پیچیده می‌شود. در این مکان‌ها استفاده از صفحات ارتینگ بهتر عمل می‌کند، به نحوی که آنها را به صورت افقی در عمق حدود سی اینچی زیر سطح زمین قرار می‌دهند. این کار به کنترل مقاومت الکتریکی کمک می‌کند و ایده‌آل آن است که مقاومت کمتر از 25 اهم باشد، مطابق استانداردهای کد برق ملی (بخش 250.52). هدف تنها رعایت مقررات نیست، بلکه ایجاد یک مسیر ایمن برای جریان‌های ناشی از صاعقه است.

حفاظت از کابل کواکسیال در برابر اضافه ولتاژ و پورت‌های روی دستگاه‌های حفاظتی

دستگاه‌های حفاظتی در برابر اضافه ولتاژ با پورت‌های هم‌محور اختصاصی (RG6/RG11) جریان‌های ناشی از صاعقه را به زمین هدایت می‌کنند، به شرطی که سیستم زمین‌کری به‌درستی انجام شده باشد. دستگاه‌هایی را انتخاب کنید که ظرفیت اضافه ولتاژ ≥5 کیلوآمپری و ولتاژ قطع زیر 500 ولتی داشته باشند.

نوع پورت	ولتاژ فشاربرداری	رتبه‌بندی ضربه‌ای
RG6 (TV)	≥ 500 ولت	5KA
RG11 (شبکه)	≥ 400 ولت	10kA

بر اساس یک تحلیل اخیر از سوی صنعت، دستگاه‌های حفاظتی در برابر اضافه ولتاژ بدون اتصال به زمین قادر به کاهش 92٪ از ولتاژهای گذرا بالای 1 کیلوولت نیستند. همیشه با استفاده از یک مولتی‌متر، اتصال الکتریکی بین ترمینال زمین دستگاه حفاظتی و الکترود اصلی زمین را بررسی کنید.

محدودیت‌ها و خطرات ناشی از زمین‌کری ناکافی یا فقدان آن

خطرات استفاده از دستگاه‌های حفاظتی در برابر اضافه ولتاژ بدون زمین‌کری در هنگام رخ دادن صاعقه

اگر کابل‌های هم‌محور با استفاده از آن کیت‌های خاص ارتینگ مناسب انجام نشود، در هنگام صاعقه به مشکل بزرگی تبدیل می‌شوند. بیشتر افراد این موضوع را نمی‌دانند اما طبق داده‌های NEMA از سال 2023، حدود 60 درصد از انرژی صاعقه وقتی ارتینگ وجود ندارد، به طور کامل از محافظ‌های ضربه ولتاژ عبور می‌کند. بعد از آن چه اتفاقی می‌افتد؟ تجهیزات متصل دچار نوسانات ولتاژ بسیار زیادی می‌شوند که گاهی به بیش از 15000 ولت می‌رسند. برق باقی‌مانده هم ساده از بین نمی‌رود. این برق بسیار سریع از مدارهای روتر و قطعات تلویزیون عبور کرده و آن‌ها را ذوب می‌کند. آزمایش‌های میدانی نشان داده‌اند که در حدود 8 مورد از هر 10 مورد، این گونه خرابی‌ها ظرف سه میلیونیوم ثانیه پس از اولین ضربه ولتاژ رخ می‌دهند.

داده‌های صنعتی درباره خرابی تجهیزات ناشی از اتصال زمین ضعیف

با بررسی بیش از 12,000 رویداد ولتاژ گذرا در یک مطالعه انجمن مهندسان برق و الکترونیک (IEEE) در سال 2021، محققان دریافتند که حدود 7 مورد از هر 10 خرابی تجهیزات به دلیل استفاده نادرست از تکنیک‌های اتصال به زمین اتفاق افتاده است. تجهیزاتی که از کیت‌های اتصال زمین با سیم‌های خیلی کوچک 14 AWG استفاده کرده بودند، حدوداً 2.5 بار بیشتر از سیستم‌هایی که از سیم‌های مسی استاندارد 10 AWG استفاده کرده بودند دچار خرابی شدند. هر بار که در سیستم‌های بدون اتصال مناسب زمین مشکلی پیش می‌آید، شرکت‌ها را به طور متوسط حدود 1,200 دلار هزینه سرویس‌دهی در می‌آورد، در حالی که تعمیر سیستم‌هایی که به درستی اتصال زمین داشته‌اند تنها حدود 180 دلار هزینه در می‌آید. این تفاوت در بلندمدت می‌تواند تأثیر بسزایی روی بودجه تعمیر و نگهداری داشته باشد.

آیا فیوزهای حفاظتی در برابر اضافه ولتاژ بدون اتصال زمین کار می‌کنند؟ شکستن یک افسانه

یک کیت ارتینگ خوب تنها چیزی اضافی نیست، بلکه در واقع یکی از مهم‌ترین بخش‌های هر سیستم مناسب حفاظت از ولتاژ گذرا محسوب می‌شود. آزمایش‌های انجام‌شده در آزمایشگاه‌ها به‌خوبی نشان می‌دهند که در صورت عدم وجود ارتینگ چه اتفاقی می‌افتد. بدون اینکه ارتینگ وجود داشته باشد، تقریباً ۹۰ درصد از انرژی ناشی از صاعقه به جایی می‌رسد که نباید به آن جا برسد، یعنی دستگاه‌های متصل. اما اگر تمام سیستم مطابق با استانداردهای NFPA 780 برای ارتینگ طراحی شود، این عدد به حدود ۸ درصد کاهش می‌یابد. باید بپذیریم که حتی فیلترهای گران‌قیمت ولتاژ گذرا هم در صورت قطع ارتباط با سیستم‌های مناسب ارتینگ عملاً تبدیل به یک پریز اضافی معمولی می‌شوند. این موضوع از نظر عددی هم تأیید می‌شود، چرا که این مدل‌های گران‌قیمت پس از برخورد دو ضربه عمده ولتاژ گذرا، شروع به خرابی می‌کنند و این نرخ خرابی تقریباً برابر با دستگاه‌های بدون حفاظت است.

‫سوالات متداول‬

عامل ایجاد ولتاژ گذرا در هنگام رعد و برق چیست؟

جولان‌های الکتریکی در هنگام رعد و برق به دلیل آزاد شدن ناگهانی یک میلیارد ولت الکتریسیته ایجاد می‌شوند، که منجر به ایجاد ضربه‌های ولتاژی می‌شوند و از طریق مواد هادی مانند کابل‌های هم‌محور حرکت می‌کنند.

اتصال به زمین چگونه در محافظت از جریان‌های ناشی از رعد و برق کمک می‌کند؟

اتصال به زمین یک مسیر با مقاومت کم برای جریان‌های الکتریکی فراهم می‌کند و بیشتر برق خطرناک را به زمین هدایت می‌کند و خسارات به تجهیزات حساس را به حداقل می‌رساند.

چرا اتصال صحیح به زمین برای کابل‌های هم‌محور مهم است؟

اتصال صحیح به زمین از حرکت جریان‌های ناشی از رعد و برق از طریق کابل‌های هم‌محور به داخل تجهیزات متصل جلوگیری می‌کند و از خسارات جدی جلوگیری می‌کند.

اجزای اصلی یک کیت اتصال به زمین برای کابل هم‌محور چیست؟

یک کیت اتصال به زمین برای کابل هم‌محور معمولاً شامل یک قطعه اتصالی زمین، گیره و اتصال‌دهنده‌هاست تا مسیری برای رسیدن جریان‌های ناگهانی به زمین به‌صورت ایمن فراهم کند.

آیا محافظ‌های ولتاژ می‌توانند بدون اتصال به زمین کار کنند؟

خیر، فیوزهای حفاظتی در صورت نبود اتصال به زمین بسیار کم‌تر موثر هستند، زیرا اتصال به زمین برای هدایت ولتاژ اضافی از دستگاه‌های متصل بسیار مهم است.