صاعقه یکی از خطرناک‌ترین پدیده‌های طبیعی برای ساختمان‌ها، تجهیزات الکتریکی و تأسیسات است. انرژی و جریان بسیار زیاد ناشی از صاعقه می‌تواند در مدت کوتاهی باعث آسیب به سازه، ایجاد آتش‌سوزی، تخریب تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی و ایجاد خطر برای افراد شود.

به همین دلیل، در ساختمان‌ها و تأسیساتی که بر اساس ارزیابی ریسک و الزامات فنی به حفاظت در برابر صاعقه نیاز دارند، از سیستم حفاظت در برابر صاعقه (Lightning Protection System یا LPS) استفاده می‌شود.

استاندارد سری IEC 62305 اصول و الزامات حفاظت ساختمان‌ها و سازه‌ها در برابر صاعقه را مشخص می‌کند و NFPA 780 نیز یکی از مراجع مهم در زمینه طراحی و نصب سیستم‌های حفاظت در برابر صاعقه است. علاوه بر این، مقررات ملی ساختمان، مشخصات فنی پروژه و الزامات کارفرما یا مرجع تأییدکننده نیز ممکن است در طراحی سیستم نقش داشته باشند.

سیستم صاعقه‌گیر فقط یک میله فلزی روی پشت‌بام نیست؛ بلکه مجموعه‌ای هماهنگ از سیستم دریافت صاعقه، هادی‌های نزولی، سیستم زمین، هم‌بندی و اقدامات حفاظت داخلی مانند SPD است که باید متناسب با ساختمان و شرایط پروژه طراحی و اجرا شود.

در این مقاله با ساختار سیستم حفاظت در برابر صاعقه، اجزای اصلی آن، تفاوت ارت و هم‌بندی، نقش SPD و روش‌های متداول طراحی صاعقه‌گیر آشنا می‌شویم.

صاعقه چیست و چرا خطرناک است؟

صاعقه یک تخلیه الکتریکی بسیار پرانرژی است که می‌تواند بین ابر و زمین یا میان بخش‌های مختلف ابر رخ دهد.

این تخلیه الکتریکی می‌تواند در مدت بسیار کوتاهی انرژی زیادی را منتقل کند. به همین دلیل، برخورد مستقیم صاعقه با ساختمان تنها یکی از خطرات آن است و حتی میدان الکترومغناطیسی، جریان‌های القایی و اضافه‌ولتاژهای ناشی از صاعقه نیز می‌توانند به تجهیزات و تأسیسات آسیب وارد کنند.

مهم‌ترین خطرات ناشی از صاعقه عبارت‌اند از:

• آسیب به سازه و اجزای ساختمان
• ایجاد آتش‌سوزی
• تخریب تجهیزات الکتریکی
• آسیب به تجهیزات الکترونیکی و مخابراتی
• ایجاد اضافه‌ولتاژهای گذرا
• ایجاد جریان‌های القایی در کابل‌ها
• ایجاد اختلاف پتانسیل میان قسمت‌های مختلف ساختمان
• ایجاد جرقه جانبی بین قسمت‌های رسانا
• به خطر افتادن جان افراد

به همین دلیل، حفاظت مؤثر در برابر صاعقه باید به صورت یک مجموعه هماهنگ از اقدامات حفاظتی طراحی شود.

سیستم حفاظت در برابر صاعقه یا LPS چیست؟

LPS مخفف Lightning Protection System و به معنای سیستم حفاظت در برابر صاعقه است.

این سیستم مجموعه‌ای از اجزای طراحی‌شده برای کاهش خطرات ناشی از برخورد صاعقه با ساختمان و هدایت کنترل‌شده جریان آن است.

بخش‌های اصلی یک سیستم حفاظت در برابر صاعقه معمولاً شامل موارد زیر هستند:

• سیستم دریافت صاعقه (Air-Termination System)
• هادی‌های نزولی (Down Conductors)
• سیستم زمین یا پایانه زمین (Earth-Termination System)
• هم‌بندی و کنترل اختلاف پتانسیل
• رعایت فاصله جداسازی (Separation Distance) در موارد لازم
• تجهیزات حفاظت در برابر اضافه‌ولتاژ یا SPD
• سایر اقدامات حفاظت داخلی متناسب با نوع ساختمان و تجهیزات

در صورت وقوع برخورد صاعقه، هدف سیستم این است که جریان از مسیرهای مشخص و طراحی‌شده عبور کند و به سیستم زمین منتقل شود؛ در نتیجه احتمال عبور جریان از مسیرهای ناخواسته و ایجاد خسارت کاهش پیدا می‌کند.

نکته مهم این است که عملکرد LPS به یک قطعه خاص وابسته نیست و هماهنگی میان تمام اجزای سیستم اهمیت دارد.

اجزای اصلی سیستم صاعقه‌گیر

۱. سیستم دریافت صاعقه (Air-Termination System)

سیستم دریافت صاعقه در قسمت‌های بالایی ساختمان قرار می‌گیرد و برای کنترل نقاطی که احتمال برخورد صاعقه در آن‌ها وجود دارد طراحی می‌شود.

این بخش لزوماً فقط یک میله فلزی نیست و با توجه به نوع ساختمان و روش طراحی می‌تواند شامل موارد زیر باشد:

• میله‌های دریافت صاعقه
• هادی‌های روی بام
• شبکه مش روی بام
• برخی اجزای فلزی طبیعی ساختمان که شرایط لازم برای استفاده به عنوان جزء LPS را داشته باشند

محل و محدوده حفاظت گیرنده‌های صاعقه باید بر اساس روش طراحی و کلاس حفاظت تعیین شود.

از روش‌های متداول طراحی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• روش زاویه حفاظتی (Protective Angle Method)
• روش گوی غلتان (Rolling Sphere Method)
• روش مش‌بندی (Mesh Method)

میله فرانکلین چیست؟

میله فرانکلین (Franklin Rod) یکی از روش‌های متداول برای ایجاد سیستم دریافت صاعقه است.

این میله را نباید به معنای ساده «وسیله‌ای برای جذب صاعقه» در نظر گرفت. میله فرانکلین بخشی از یک سیستم کامل است که برای دریافت و هدایت کنترل‌شده جریان صاعقه طراحی می‌شود.

بنابراین نصب یک میله روی پشت‌بام، بدون طراحی هادی‌های نزولی و سیستم زمین، یک سیستم کامل حفاظت در برابر صاعقه محسوب نمی‌شود.

صاعقه‌گیر ESE چیست؟

برخی تجهیزات تجاری با عنوان Early Streamer Emission یا ESE عرضه می‌شوند.

انتخاب این تجهیزات باید بر اساس استاندارد مورد استفاده در پروژه، الزامات کارفرما، مشخصات ساختمان و نظر مرجع تأییدکننده انجام شود. بنابراین نباید بدون بررسی استاندارد و الزامات پروژه، هر تجهیز ESE را معادل یک سیستم LPS متعارف در نظر گرفت.

۲. هادی نزولی صاعقه‌گیر (Down Conductor)

هادی نزولی مسیر ارتباطی بین سیستم دریافت صاعقه و سیستم زمین است و وظیفه دارد جریان صاعقه را از قسمت‌های بالایی ساختمان به سمت زمین هدایت کند.

مسیر هادی‌های نزولی باید در طراحی به گونه‌ای انتخاب شود که امپدانس مسیر و احتمال ایجاد جرقه جانبی و اثرات ناخواسته کاهش پیدا کند.

نکات مهم در اجرای هادی نزولی

• مسیر هادی تا حد امکان مستقیم باشد.
• از ایجاد حلقه و پیچش‌های غیرضروری جلوگیری شود.
• خم‌ها تا حد امکان محدود و کنترل‌شده باشند.
• هادی از نظر مکانیکی در برابر آسیب محافظت شود.
• اتصالات از نظر الکتریکی و مکانیکی مطمئن باشند.
• جنس هادی و اتصالات از نظر خوردگی و سازگاری فلزات بررسی شود.
• تعداد و محل هادی‌های نزولی بر اساس هندسه ساختمان و روش طراحی مشخص شود.

در ساختمان‌های مختلف ممکن است چند هادی نزولی در اطراف سازه مورد استفاده قرار گیرد تا مسیر جریان میان نقاط مختلف توزیع شود. تعداد دقیق هادی‌ها باید بر اساس استاندارد و طراحی مهندسی تعیین شود.

۳. سیستم زمین صاعقه‌گیر (Earth-Termination System)

پس از عبور جریان از هادی‌های نزولی، جریان باید به سیستم زمین منتقل شود. به مجموعه الکترودها و اجزای مرتبطی که برای این منظور در نظر گرفته می‌شوند، سیستم زمین یا Earth-Termination System گفته می‌شود.

بسته به نوع پروژه، سیستم زمین می‌تواند شامل مواردی مانند موارد زیر باشد:

• الکترودهای میله‌ای
• رینگ ارت
• الکترودهای فونداسیون
• شبکه زمین
• ترکیبی از چند روش

انتخاب نوع و آرایش سیستم زمین به عواملی مانند شرایط خاک، ساختار ساختمان، طراحی LPS و الزامات پروژه بستگی دارد.

آیا ارت صاعقه‌گیر باید جدا از ارت ساختمان باشد؟

نمی‌توان برای تمام پروژه‌ها یک پاسخ ثابت مانند «حتماً جدا» یا «حتماً مشترک» ارائه کرد.

در بسیاری از طراحی‌ها، ایجاد یک سیستم زمین هماهنگ و هم‌بندی مناسب به کنترل اختلاف پتانسیل کمک می‌کند. با این حال، نحوه اتصال سیستم‌های زمین باید بر اساس استاندارد، طراحی پروژه، نوع تأسیسات و شرایط ساختمان تعیین شود.

بنابراین اجرای چند چاه ارت مستقل، بدون بررسی ارتباط میان سیستم‌های زمین و سایر اجزای حفاظتی، لزوماً راهکار مناسبی نیست و در برخی شرایط می‌تواند باعث ایجاد اختلاف پتانسیل ناخواسته شود.

مقاومت ارت صاعقه‌گیر باید چند اهم باشد؟

یک عدد ثابت مانند ۵ اهم را نمی‌توان به عنوان الزام عمومی برای تمام سیستم‌های حفاظت در برابر صاعقه در نظر گرفت.

عملکرد سیستم زمین به عوامل مختلفی از جمله مقاومت ویژه خاک، آرایش الکترودها، مسیر و تعداد هادی‌های نزولی، امپدانس مسیر و نحوه هم‌بندی وابسته است.

بنابراین مقدار مورد نیاز باید بر اساس استاندارد و طراحی پروژه تعیین شود و پس از اجرا، سیستم زمین مورد بازرسی و اندازه‌گیری قرار گیرد.

۴. هم‌بندی در سیستم حفاظت در برابر صاعقه چیست؟

هم‌بندی الکتریکی (Equipotential Bonding) به ایجاد ارتباط الکتریکی کنترل‌شده میان قسمت‌های رسانای مختلف گفته می‌شود.

در زمان عبور جریان صاعقه، قسمت‌های مختلف ساختمان ممکن است برای مدت کوتاهی در پتانسیل‌های متفاوتی قرار بگیرند. اگر اختلاف پتانسیل بین دو قسمت رسانا زیاد شود، امکان ایجاد جرقه جانبی (Side Flash) وجود دارد.

هم‌بندی مناسب به کاهش این اختلاف پتانسیل و کنترل مسیرهای ناخواسته جریان کمک می‌کند.

با توجه به نوع ساختمان و طراحی LPS، مواردی مانند موارد زیر ممکن است در فرآیند هم‌بندی مورد بررسی قرار گیرند:

• اسکلت فلزی ساختمان
• سیستم زمین
• سینی و نردبان کابل
• برخی لوله‌ها و تأسیسات فلزی
• تجهیزات فلزی
• تأسیسات فلزی ورودی ساختمان
• تابلوها و تجهیزات الکتریکی
• سایر قسمت‌های رسانای مهم

البته هر قسمت فلزی ساختمان نباید بدون بررسی به سیستم صاعقه‌گیر متصل شود. محل، روش و نوع هم‌بندی باید بر اساس استاندارد و طراحی سیستم مشخص شود.

هم‌بندی اصلی و هم‌بندی اضافی

هم‌بندی اصلی (Main Equipotential Bonding)

هم‌بندی اصلی معمولاً در محدوده ورود تأسیسات و در ارتباط با شینه اصلی زمین یا Main Earthing Terminal طراحی می‌شود.

هدف آن ایجاد یک ارتباط کنترل‌شده میان سیستم زمین و قسمت‌های رسانای اصلی ساختمان است.

با توجه به نوع پروژه، مواردی مانند هادی‌های حفاظتی، هادی‌های هم‌بندی، تأسیسات فلزی ورودی، اجزای فلزی ساختمان و بخش‌های مرتبط با LPS ممکن است در طراحی هم‌بندی اصلی مورد توجه قرار گیرند.

هم‌بندی لوله گاز

اتصال لوله گاز به سیستم ارت یا صاعقه‌گیر موضوعی نیست که بتوان آن را بدون توجه به مقررات به صورت عمومی تجویز کرد.

محل و روش هم‌بندی تأسیسات گاز باید مطابق الزامات ایمنی، مقررات مربوط به گاز و طراحی سیستم حفاظت الکتریکی ساختمان تعیین شود.

هم‌بندی اضافی (Supplementary Bonding)

هم‌بندی اضافی در برخی فضاها و شرایط خاص برای کاهش اختلاف پتانسیل بین قسمت‌های رسانا استفاده می‌شود.

این موضوع ممکن است در برخی فضاهای خاص، اتاق‌های تجهیزات، تأسیسات صنعتی، اتاق‌های برق یا محل‌هایی با تجهیزات حساس مورد بررسی قرار گیرد.

نیاز به هم‌بندی اضافی باید بر اساس نوع فضا و الزامات سیستم حفاظتی تعیین شود.

تفاوت ارت و هم‌بندی چیست؟

ارتینگ و هم‌بندی به یکدیگر مرتبط هستند، اما یک مفهوم یکسان نیستند.

ارتینگ (Earthing)

ارتینگ به ایجاد ارتباط الکتریکی بین سیستم یا قسمت‌های مشخصی از تأسیسات و زمین از طریق سیستم زمین گفته می‌شود.

هم‌بندی (Bonding)

هم‌بندی به ایجاد اتصال الکتریکی کنترل‌شده بین قسمت‌های رسانا برای کاهش اختلاف پتانسیل میان آن‌ها گفته می‌شود.

به زبان ساده:

ارت، ارتباط با زمین را فراهم می‌کند؛ هم‌بندی، اختلاف پتانسیل میان قسمت‌های رسانا را کنترل می‌کند.

در یک سیستم حفاظت مناسب، این دو مفهوم باید در کنار یکدیگر و بر اساس طراحی مهندسی در نظر گرفته شوند.

حفاظت تجهیزات الکتریکی در برابر صاعقه

حفاظت ساختمان در برابر برخورد مستقیم صاعقه تنها بخشی از مسئله است. تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی داخل ساختمان نیز ممکن است در اثر اضافه‌ولتاژهای گذرا، جریان‌های القایی و اثرات الکترومغناطیسی صاعقه آسیب ببینند.

این موضوع در ساختمان‌هایی که دارای تجهیزات حساس هستند اهمیت بیشتری پیدا می‌کند؛ از جمله:

• تابلوهای برق
• تجهیزات شبکه و مخابرات
• سیستم‌های اعلام حریق
• دوربین‌های مداربسته
• تجهیزات اتوماسیون
• سیستم‌های کنترل
• تجهیزات الکترونیکی
• اینورترها و تجهیزات خورشیدی

به همین دلیل، در کنار LPS خارجی باید حفاظت داخلی در برابر اثرات صاعقه نیز بررسی شود.

SPD چیست و چه نقشی در حفاظت در برابر صاعقه دارد؟

SPD یا Surge Protective Device تجهیزی برای محدود کردن اضافه‌ولتاژهای گذرا و هدایت انرژی ناشی از این اضافه‌ولتاژها به مسیر حفاظتی مناسب است.

بسته به نوع ساختمان و طراحی سیستم، استفاده از SPD ممکن است برای بخش‌هایی مانند موارد زیر مورد بررسی قرار گیرد:

• تابلو برق اصلی
• تابلوهای توزیع
• خطوط برق
• خطوط مخابراتی
• شبکه‌های دیتا
• سیستم‌های اعلام حریق
• دوربین‌های مداربسته
• سیستم‌های کنترل و اتوماسیون
• تجهیزات خورشیدی و اینورترها

انتخاب SPD باید بر اساس نوع شبکه، سطح حفاظت مورد نیاز، محل نصب، مشخصات تجهیزات و هماهنگی میان مراحل مختلف حفاظت انجام شود.

استاندارد IEC 62305-4 نیز به اقدامات حفاظت در برابر اثرات الکترومغناطیسی صاعقه برای سیستم‌های الکتریکی و الکترونیکی می‌پردازد.

بنابراین یک سیستم حفاظت کامل، علاوه بر حفاظت سازه در برابر برخورد مستقیم، باید خطرات ناشی از اضافه‌ولتاژ و اثرات الکترومغناطیسی صاعقه را نیز در نظر بگیرد.

روش‌های طراحی سیستم حفاظت در برابر صاعقه

محل نصب گیرنده‌های صاعقه و محدوده‌ای که توسط آن‌ها محافظت می‌شود، باید بر اساس روش طراحی مناسب تعیین شود.

سه روش متداول عبارت‌اند از:

روش زاویه حفاظتی (Protective Angle Method)

در این روش، با توجه به کلاس حفاظت و هندسه ساختمان، محدوده‌ای که توسط گیرنده صاعقه پوشش داده می‌شود تعیین می‌شود.

این روش برای برخی ساختمان‌ها با هندسه ساده کاربرد مناسبی دارد.

روش گوی غلتان (Rolling Sphere Method)

در روش گوی غلتان، یک کره فرضی با شعاع مشخص روی سازه حرکت داده می‌شود تا نقاطی که در معرض برخورد صاعقه قرار دارند مشخص شوند.

این روش برای ساختمان‌ها و سازه‌های پیچیده اهمیت زیادی دارد و امکان بررسی دقیق‌تر نقاط در معرض خطر را فراهم می‌کند.

روش مش‌بندی (Mesh Method)

در روش مش‌بندی، شبکه‌ای از هادی‌ها روی بام ساختمان ایجاد می‌شود و ابعاد مش بر اساس کلاس حفاظت و الزامات استاندارد تعیین می‌شود.

این روش در بسیاری از ساختمان‌هایی که سطح بام گسترده دارند مورد استفاده قرار می‌گیرد.

انتخاب روش مناسب به هندسه ساختمان، کلاس حفاظت، نوع سازه و الزامات استاندارد بستگی دارد.

آیا هر ساختمان به صاعقه‌گیر نیاز دارد؟

خیر. نمی‌توان گفت تمام ساختمان‌ها بدون استثنا به یک سیستم صاعقه‌گیر مشخص نیاز دارند.

نیاز به حفاظت در برابر صاعقه باید با توجه به شرایط پروژه و در صورت لزوم از طریق ارزیابی ریسک تعیین شود.

عواملی که می‌توانند در این بررسی مؤثر باشند عبارت‌اند از:

• موقعیت ساختمان
• ارتفاع و ابعاد ساختمان
• نوع کاربری
• شرایط محیطی
• احتمال برخورد صاعقه
• میزان خسارت احتمالی
• اهمیت تجهیزات داخل ساختمان
• تعداد و حضور افراد
• پیامدهای ناشی از قطع سرویس
• الزامات کارفرما و مقررات پروژه

در سری استاندارد IEC 62305، مدیریت ریسک یکی از مباحث اصلی برای تعیین نیاز به اقدامات حفاظتی و سطح حفاظت مورد نیاز است.

نکات مهم در طراحی و اجرای صاعقه‌گیر

برای دستیابی به یک سیستم حفاظت مؤثر، موارد زیر باید در طراحی و اجرا مورد توجه قرار گیرند:

• نیاز ساختمان به حفاظت در برابر صاعقه بررسی و در صورت لزوم ارزیابی ریسک انجام شود.
• کلاس حفاظت و روش طراحی مناسب تعیین شود.
• محل و تعداد گیرنده‌های صاعقه بر اساس طراحی مشخص شود.
• تعداد و مسیر هادی‌های نزولی مطابق طراحی انتخاب شود.
• مسیر هادی‌های نزولی تا حد امکان کوتاه و مستقیم باشد.
• از ایجاد حلقه‌ها و خم‌های غیرضروری جلوگیری شود.
• اتصالات مناسب و مقاوم در برابر شرایط محیطی استفاده شود.
• سازگاری فلزات و احتمال خوردگی گالوانیکی بررسی شود.
• سیستم زمین متناسب با طراحی LPS انتخاب شود.
• هم‌بندی قسمت‌های رسانا مطابق طراحی انجام شود.
• فاصله جداسازی بین LPS و قسمت‌های رسانای مشخص، در صورت نیاز، بررسی شود.
• حفاظت داخلی و SPD برای تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی بررسی شود.
• پس از اجرا، سیستم بازرسی و آزمایش شود.
• برای سیستم، برنامه نگهداری و بازرسی دوره‌ای در نظر گرفته شود.

بازرسی و نگهداری سیستم صاعقه‌گیر

سیستم حفاظت در برابر صاعقه پس از اجرا نیز نیازمند بازرسی و نگهداری دوره‌ای است.

در بازرسی سیستم می‌توان موارد زیر را بررسی کرد:

• سلامت میله‌ها و گیرنده‌های صاعقه
• وضعیت هادی‌های نزولی
• سلامت اتصالات
• وجود نشانه‌های خوردگی
• وضعیت سیستم زمین
• پیوستگی مسیرهای مورد نیاز
• وضعیت هم‌بندی
• وضعیت و عملکرد SPDها
• آسیب‌های مکانیکی احتمالی
• تغییرات ایجادشده در ساختمان

همچنین اگر ساختمان دچار تغییرات عمده شود، تجهیزات جدیدی نصب شود یا تأسیسات فلزی و سیستم زمین تغییر کند، لازم است اثر این تغییرات بر طراحی حفاظت در برابر صاعقه بررسی شود.

جمع‌بندی

سیستم حفاظت در برابر صاعقه یا LPS مجموعه‌ای یکپارچه برای کاهش خطرات ناشی از برخورد صاعقه و اثرات آن بر ساختمان، تأسیسات و تجهیزات است.

این سیستم تنها به نصب یک میله روی پشت‌بام محدود نمی‌شود و می‌تواند شامل سیستم دریافت صاعقه، هادی‌های نزولی، سیستم زمین، هم‌بندی، رعایت فاصله جداسازی و اقدامات حفاظت داخلی مانند SPD باشد.

سیستم زمین مسیر مناسبی برای انتقال جریان صاعقه فراهم می‌کند و هم‌بندی با کنترل اختلاف پتانسیل میان قسمت‌های رسانا، به کاهش خطر جرقه جانبی و سایر مسیرهای ناخواسته جریان کمک می‌کند.

از طرف دیگر، تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی ساختمان ممکن است حتی بدون برخورد مستقیم صاعقه نیز در معرض اضافه‌ولتاژهای گذرا و اثرات الکترومغناطیسی قرار بگیرند. به همین دلیل، حفاظت داخلی و استفاده صحیح از SPD نیز باید در طراحی پروژه بررسی شود.

در نهایت، یک سیستم صاعقه‌گیر زمانی می‌تواند عملکرد مناسبی داشته باشد که تمام اجزای آن به صورت هماهنگ، بر اساس استاندارد، شرایط ساختمان، ارزیابی ریسک و طراحی مهندسی انتخاب و اجرا شوند.