سیم میکا در کاربردهای سیستم هم‌بندی حفاظت در برابر صاعقه چگونه عمل می‌کند؟

درک سیم میکا و نقش آن در سیستم‌های الکتریکی

کاربردهای سیم مسی میکادار در سیستم‌های الکتریکی

سیم‌های لاک‌خورده نقش بسیار مهمی در سیستم‌های الکتریکی امروزی ایفا می‌کنند و امکان ساخت موتورها، ترانسفورماتورها و القاگرها را در ابعاد کوچک‌تر و با عملکرد بهتر فراهم می‌آورند. لایه نازک عایق روی این سیم‌ها به مهندسان اجازه می‌دهد تا آن‌ها را بدون نگرانی از ایجاد اتصال کوتاه بین دورهای سیم‌پیچ، به صورت متراکم‌تر قرار دهند؛ موضوعی که در جاهایی که فضا محدود است—مانند الکترونیک هواپیما یا دستگاه‌های MRI—بسیار حائز اهمیت است. همچنین شاهد کاربردهای بیشتری در سیستم‌های حفاظت در برابر صاعقه نیز هستیم که در آن‌ها موصل‌های لاک‌خورده در وسایلی مانند محافظ‌های ولتاژ لحظه‌ای (سورج پروتکتور) و محدودکننده‌های جریان اتصال کوتاه دیده می‌شوند. نحوه کنترل عایق‌بندی در این سیم‌ها در واقع از خروج ناخواسته انرژی در طول پیک‌های ناگهانی توان—که به طور مداوم در شبکه‌های الکتریکی رخ می‌دهد—جلوگیری می‌کند.

هدایت الکتریکی مواد در سیستم‌های حفاظت در برابر صاعقه

در مورد هادی‌های سیستم حفاظت در برابر صاعقه (LPS)، مس همچنان استاندارد محسوب می‌شود، زیرا دارای هدایت الکتریکی عالی با رتبه ۱۰۰٪ IACS است و همچنین توانایی بهتری نسبت به اغلب مواد دیگر در تحمل ضربه‌های ناگهانی دارد. آلومینیوم تنها به حدود ۶۱٪ IACS می‌رسد و گزینه‌های روکش‌دار فولادی نیز عملکرد کمتری دارند. تحقیقات اخیر در سال ۲۰۲۳ در زمینه محافظت در برابر پالس الکترومغناطیسی (EMP) چیز جالبی نشان داده‌اند: سیم‌های مفتولی با هسته مسی و پوشش لاکی، در واقع انرژی گذرا را حدود ۴۲ درصد سریع‌تر از زمانی که صاعقه رخ می‌دهد، دفع می‌کنند. این به لحاظ عملی چه معنا دارد؟ این بدین معناست که احتمال بروز مشکلات ناشی از گرمایش مقاومتی در الکترودهای ارتینگ که به شدت به آن‌ها وابسته‌ایم، کاهش می‌یابد. حتی در شرایط بسیار شدید، وقتی جریان‌های پیک از ۲۰۰ کیلوآمپر در محیط‌های صنعتی فراتر می‌روند، مس به‌طور قابل اعتمادی عمل می‌کند در حالی که سایر مواد ممکن است دچار خرابی شوند.

ویژگی‌های عایقی سیم امیلدار و استحکام دی الکتریک: جلوگیری از شکست

در زمینه عایق‌بندی الکتریکی، پوشش‌های وارنیشی از جنس پلی‌اورتان و پلی‌استر خاصیت خاصی دارند. این مواد می‌توانند مقاومت دی‌الکتریکی در حدود ۱۲ کیلوولت بر میلی‌متر را تحمل کنند که در واقع حدود هشت برابر بهتر از آنچه معمولاً در کابل‌های عایق‌بندی شده با پی‌وی‌سی استاندارد مشاهده می‌شود، می‌باشد. اهمیت این موضوع در این است که این پوشش‌ها از تشکیل قوس‌های ناخواسته بین هادی‌ها جلوگیری می‌کنند، به‌ویژه زمانی که در شرایط زمین مرطوب قرار دارند. همه ما شاهد اثرات ناشی از عدم محافظت مناسب شبکه‌های ارتینگ در برابر چنین مشکلاتی بوده‌ایم. علاوه بر این، این لایه‌های وارنیشی حتی در دماهای بالا تا ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد نیز استحکام خود را حفظ می‌کنند. و نکته جالب دیگر این است: این لایه‌ها می‌توانند ولتاژهای ناگهانی بالای ۱۰ کیلوولت را در مدت زمان کوتاهی معادل چند میکروثانیه تحمل کنند. این سطح از مقاومت به این معناست که سیستم حتی در صورت وقوع نوسانات ناگهانی ولتاژ نیز به‌صورت قابل اعتمادی کار خود را ادامه می‌دهد.

انتخاب مواد برای هادی‌های وارنیشی در سیستم‌های حفاظت در برابر صاعقه

مقایسه هادی‌های مسی، آلومینیومی و پوشش‌دار در سیستم‌های حفاظت در برابر صاعقه (LPS)

مس به دلیل سطح فوق‌العاده بالای هدایت آن که حدود ۵۹٫۶ مگا سیمنس بر متر در دمای اتاق است و همچنین توانایی آن در مدیریت جریان‌های ناگهانی شدید بدون مشکل، همچنان انتخاب اول برای سیستم‌های حفاظت در برابر صاعقه باقی مانده است. آلومینیوم البته مزایایی نیز دارد - حدود ۴۰ درصد سبک‌تر از مس بوده و هزینه‌اش طبق استانداردهای IEC سال گذشته تقریباً ۶۵ درصد کمتر است. اما نکته منفی استفاده از آلومینیوم در فضای باز این است که خوردگی به یک مشکل واقعی تبدیل می‌شود مگر اینکه پوشش‌های ویژه‌ای اعمال شوند. تحقیقات اخیری که در سال ۲۰۲۳ در مجله الکترواستاتیک منتشر شد نیز یافته جالبی داشت. آنها به سیم‌های مغزی عایق پلیمری پوشش‌دار نگاه کردند و کشف کردند که این سیم‌ها نرخ اکسیداسیون را در مقایسه با موصل‌های معمولی بدون پوشش که در نزدیکی خطوط ساحلی قرار دارند و هوای نمکی تخریب را تسریع می‌کند، تقریباً به میزان سه چهارم کاهش می‌دهند. بنابراین هرچند مس هدایت بهتری دارد، این گزینه جایگزین با پوشش در مقابل شرایط سخت مقاومت خوبی نشان می‌دهد و برای کاربردهای خاصی ارزش در نظر گرفتن دارد.

مزایا و معایب عملکردی بین هادی‌های عایق‌دار و بدون عایق در ارتینگ

هادی‌های بدون پوشش تمایل به تماس بهتر با خاک دارند که این امر به حرکت موثرتر یون‌ها کمک کرده و در هنگام اضافه ولتاژ، ارتینگ با مقاومت کمتری ایجاد می‌کند. از سوی دیگر، استفاده از سیم‌های لاکی می‌تواند از تماس ناخواسته بین قطعات فلزی مجاور جلوگیری کند. این موضوع طبق داده‌های اخیر NEMA از سال 2022، مشکلات حلقه ارت ناخواسته را تقریباً تا سه چهارم کاهش می‌دهد. نکته مهمی که باید به یاد داشت این است که سیم‌های مسی با پوشش لاکی در فرکانس‌های حدود 100 کیلوهرتز، مقاومتی حدود 12 تا 18 درصد بیشتر از نمونه‌های بدون پوشش خود نشان می‌دهند. مهندسانی که روی سیستم‌هایی کار می‌کنند که نیاز به پردازش سیگنال‌های فرکانس بالا دارند، واقعاً باید این تفاوت را در طراحی‌های خود در نظر بگیرند.

قابلیت تحمل ولتاژ و مقاومت در برابر ضربان ولتاژ سیم‌های لاکی

سیم‌های امروزی که با پلی‌اورتان پوشانده شده‌اند، می‌توانند مقاومت دی‌الکتریکی در حدود ۲۵ کیلوولت بر میلی‌متر را تحمل کنند که این مقدار بسیار بالاتر از سطح ولتاژ اغلب رویدادهای صاعقه است که طبق استانداردهای IEEE در سال ۲۰۲۳ حدود ۵ تا ۱۰ کیلوولت است. در مورد پوشش‌های دو لایه ورنی، آزمایش‌ها نشان می‌دهند که حتی پس از قرار گرفتن در معرض پنجاه ضربه شبیه‌سازی‌شده صاعقه با جریان ۱۰ کیلوآمپر و الگوی موج ۸/۲۰ میکروثانیه، همچنان حدود ۹۸٪ از توانایی خود در هدایت جریان ناگهانی (جریان ضربه‌ای) را حفظ می‌کنند. در شرایطی که قابلیت اطمینان از اهمیت بالایی برخوردار است، سیم‌های ویژه ورنی‌شده‌ای با رتبه‌بندی ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد موجود هستند که علیرغم وقوع چندین نوسان دمایی تا ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد ناشی از تلفات انرژی در حین نوسانات الکتریکی، به‌طور مناسب عایق‌بندی را ارائه می‌دهند.

رفتار نوسان ناشی از صاعقه و طراحی سیستم ارتینگ با هادی‌های عایق‌بندی‌شده

سیستم‌های مدرن حفاظت در برابر صاعقه نیازمند رساناهایی هستند که تعادل مناسبی بین تخلیه مؤثر ضربه و قابلیت اطمینان عایقی داشته باشند. ولتاژهای گذرا در هنگام رعد و برق می‌توانند از ۱۰۰ کیلوولت فراتر روند و موادی را می‌طلبد که بتوانند در برابر تنش‌های الکتریکی ناگهانی مقاومت کنند و در عین حال عملکرد پایدار زمینی را حفظ نمایند (LSP Global 2023).

توزیع جریان سurge در شبکه‌های زمینی در طول رویدادهای صاعقه

امواج ناشی از صاعقه از مسیر کمترین امپدانس از طریق الکترودهای زمین متصل شده عبور می‌کنند. تحقیقات نشان می‌دهد که طراحی عایق‌دار سیم‌های لاکی امکان توزیع یکنواخت‌تر جریان را در مسیرهای متعدد فراهم می‌کند و اتصال القایی را به میزان ۱۸ تا ۲۲ درصد نسبت به رساناهای بدون عایق کاهش می‌دهد. این پراکندگی، گرمایش محلی در مرزهای خاک-الکترود را به حداقل می‌رساند و عمر سیستم را افزایش می‌دهد.

اندازه‌گذاری رسانا و عملکرد الکتریکی تحت ولتاژ گذرا بالا

پارامتر	مس برهنه (6 AWG)	مس لاکی (6 AWG)
ولتاژ تحمل	۰ کیلوولت	۲٫۵ تا ۱۵ کیلوولت
مدیریت حداکثر surge	200 کیلوآمپر (مسیر تکی)	40-50 کیلوآمپر (در هر مسیر)
مقاوم در برابر خوردگی	متوسط	بالا (عایق لاک‌زنی شده کلاس H)

اندازه‌گیری صحیح هادی باید هم ظرفیت جریان پیوسته و هم شرایط بارگذاری گذرا را در نظر بگیرد. عایق‌بندی لاک‌زنی شده استحکام دی‌الکتریک تا 15 کیلوولت بر میلی‌متر فراهم می‌کند که امکان استفاده از سطح مقطع کوچک‌تری را برای مدیریت انرژی مشابه ناشی از ضربه الکتریکی از طریق مسیرهای تخلیه توزیع‌شده فراهم می‌آورد.

کاهش حلقه‌های زمین و تداخل با استفاده از سیم عایق‌دار لاک‌زنی شده به‌صورت انتخابی

استفاده استراتژیک از قطع‌های عایق در شبکه‌های ارتینگ، جریان‌های گردابی بین سیستم‌های متصل را جلوگیری می‌کند. آزمایش‌های میدانی در کاربردهای ارتینگ مراکز داده نشان می‌دهد که پیکربندی‌های ترکیبی که از سیم لاک‌زنی شده استفاده می‌کنند، تداخل الکترومغناطیسی را نسبت به موصل‌های بدون عایق کاملاً متصل 54٪ کاهش می‌دهند. این عایق‌بندی انتخابی، اتصال هم‌پتانسیل را حفظ می‌کند در حالی که حلقه‌های فیدبک هارمونیکی را مسدود می‌کند.

مطالعه موردی: استفاده از سیم عایق‌دار لاک‌زنی شده در کاربردهای ارتینگ تأسیسات حساس

طراحی سیستم الکترود ارتینگ در مراکز داده با استفاده از راه‌حل‌های ترکیبی موصل

مراکز داده مدرن به سیستم‌های ارتینگ نیاز دارند که بر اساس استانداردهای ANSI/TIA-942، سطوح مقاومت پایین حدود 2 اهم را فراهم کنند و همچنین حفاظت مناسبی در برابر ولتاژهای لحظه‌ای (سرج) ارائه دهند. تحقیقات اخیر در سال 2023 که به بررسی تأسیسات بزرگ‌مقیاس پرداخته، یافته جالبی درباره رویکردهای ترکیبی ارتینگ ارائه کرده است. هنگامی که مهندسان از مس روکش‌دار برای بخش‌های عمودی سیستم و از مس بدون پوشش معمولی برای بخش‌های افقی استفاده کردند، مشاهده شد که تداخل الکترومغناطیسی نسبت به سیستم‌های سنتی که کاملاً از مس بدون پوشش تشکیل شده‌اند، تقریباً ۴۰٪ کاهش یافته است. عامل اصلی عملکرد خوب این روش، استحکام دی‌الکتریک قابل توجه پوشش روکش است که حداقل ۵۰ کیلوولت بر میلی‌متر می‌باشد. این پوشش از نشت جریان الکتریکی بین هادی‌های مجاور جلوگیری می‌کند و در عین حال تقریباً از توانایی رسانایی مس کاسته نمی‌شود و بازدهی حدود ۹۸٫۵٪ حفظ می‌شود. مزیت دیگر قابل توجه این سیستم‌های ترکیبی، نحوه مقابله آن‌ها با مشکلات خوردگی گالوانیک در نقاط اتصال جایی که مواد مختلف به هم می‌رسند، است. این نوع خوردگی در طول سال‌ها مسئول بروز خرابی‌هایی در زیرساخت مراکز داده بوده است.

عملکرد میدانی سیم رنگ‌شده در سیستم‌های ارتینگ با قابلیت اطمینان بالا

در محیط‌های سخت‌گیرانه مانند پالایشگاه‌های نفت، سیم رنگ‌شده به مدت پنج سال عملیاتی بوده و دارای ۹۹٫۲٪ زمان کارکرد بدون وقفه است (مجله ایمنی صنعتی، ۲۰۲۲). عایق‌بندی این سیم مزایای مهمی در خاک‌های خورنده فراهم می‌کند:

1. مقاومت در برابر pH از ۴٫۵ تا ۹٫۲
2. جذب رطوبت کمتر از ۰٫۱٪ در رطوبت نسبی ۹۵٪
3. پایداری حرارتی تا ۱۸۰°C در شرایط اضافه‌بار

آزمایش‌ها در ۴۶ سایت مخابراتی نشان داد که هادی‌های رنگ‌شده پس از ۱۰٬۰۰۰ رویداد ولتاژ لحظه‌ای، اختلاف مقاومتی کمتر از ۵ میلی‌اهم حفظ کردند و در مقایسه با جایگزین‌های پوشش‌دار پلیمری، عمر آن‌ها ۲۷٪ بیشتر بود. مهندسان باید در طراحی سیستم‌هایی که در آن‌ها ضربه موجهای ناشی از رعد و برق از ۱۰۰ کیلوآمپر بیشتر است، جرم حرارتی ۱۵ تا ۲۰ درصدی بیشتر سیم را در نظر بگیرند.

روش‌های بهتر و روندهای آینده برای استفاده از سیم رنگ‌شده در طراحی سیستم حفاظت از صاعقه

موارد مناسب برای استفاده از سیم رنگ‌شده در کاربردهای ارتینگ سیستم حفاظت از صاعقه

سیم رنگ‌شده در سیستم‌های حفاظت از صاعله (LPS) زمانی ایده‌آل است که مسیرهای کنترل‌شده جریان ضروری باشد. از آن در شرایطی استفاده کنید که شامل موارد زیر باشد:

• رابط‌های دارای الکترونیک حساس
• قرار گرفتن در معرض رطوبت یا مواد شیمیایی خورنده
• نیازمندی‌ها برای عایق‌بندی الکتریکی از قطعات مجاور

به عنوان مثال، مراکز داده اغلب از هادی‌های روکش‌دار استفاده می‌کنند تا از تشکیل لوپ زمین جلوگیری کنند و در عین حال قابلیت پراکندگی ضربه الکتریکی را حفظ نمایند. با مقاومت دی‌الکتریک معمولی 3 تا 5 کیلوولت بر میلی‌متر، این عایق‌بندی یکپارچگی سیستم را در برابر ولتاژهای گذرا تضمین می‌کند.

پیشرفت‌ها در عایق‌بندی روکش‌دار برای محیط‌های با ضربه و فرکانس بالا

فرمول‌های جدید روکش پلیمری می‌توانند بدون خرابی، جریان‌های ضربه‌ای بیش از 100 کیلوآمپر بر میکروثانیه را تحمل کنند. گزارش بازار سیم مسی روکش‌دار آلومینیوم 2024، پوشش‌های دو لایه پلی‌آمید-ایمید را به عنوان دستاوردی برجسته معرفی می‌کند که به این شرح است:

اموال	统	پوشش پیشرفته
مقاومت به تورم	25 کیلوولت	40 کیلوولت
محدوده فرکانس	≤ 1 مگاهرتز	≤ 10 مگاهرتز

این بهبودها از استقرار سیستم‌های موقعیت‌یابی دقیق در زیرساخت‌های 5G و تولید نیمه‌هادی‌ها پشتیبانی می‌کنند، جایی که نویزهای با فرکانس بالا رایج هستند.

تعادل بین هدایت الکتریکی، عایق‌بندی و هزینه در انتخاب هادی‌های مدرن سیستم‌های موقعیت‌یابی دقیق

بهینه‌سازی استفاده از سیم‌های لاک‌دار با در نظر گرفتن موارد زیر:

1. اقتصاد مواد : مس را برای حداکثر هدایت الکتریکی (5.96×10⁷ سیمنس بر متر) یا آلومینیوم را برای پروژه‌های حساس به هزینه انتخاب کنید
2. عایق‌بندی جزئی : از هادی‌های بدون عایق در م interfaces الکترود و خاک و از قطعات لاک‌دار در نزدیکی تجهیزات استفاده کنید
3. محاسبه هزینه طول عمر : صرفه‌جویی بلندمدت در نگهداری ناشی از عایق مقاوم در برابر خوردگی را در نظر بگیرید

در مناطقی با پوشش خاک کمتر از 300 میلی‌متر یا جریان نشتی بیش از 50 میلی‌آمپر بر متر مربع، باید به انواع میکاپوشیده اولویت داده شود.

سوالات متداول اضافی درباره سیم میکاپوشیده در سیستم‌های الکتریکی

سیم‌های میکاپوشیده معمولاً برای چه کاربردهایی استفاده می‌شوند؟

سیم‌های میکاپوشیده عمدتاً در موتورهای کوچک، ترانسفورماتورها و القاگرها به دلیل راندمان بالای فضایی و توانایی جلوگیری از اتصال کوتاه استفاده می‌شوند. همچنین این سیم‌ها به طور فزاینده‌ای در سیستم‌های حفاظت در برابر صاعقه به کار می‌روند.

تفاوت سیم میکاپوشیده با سیم معمولی چیست؟

سیم میکاپوشیده لایه نازکی از عایق دارد که مقاومت دی‌الکتریک آن را افزایش داده و از ایجاد اتصال کوتاه بین دورهای سیم جلوگیری می‌کند؛ در حالی که این ویژگی معمولاً در سیم‌های معمولی وجود ندارد.

چرا مس در سیم‌های میکاپوشیده برای سیستم‌های حفاظت در برابر صاعقه ترجیح داده می‌شود؟

مس به دلیل هدایت الکتریکی عالی و توانایی مقابله مؤثر با جریان‌های ناگهانی، ترجیح داده می‌شود؛ این امر خطر گرمایش ناشی از مقاومت را کاهش داده و قابلیت اطمینان سیستم را در هنگام نوسانات الکتریکی بهبود می‌بخشد.

استفاده از سیم میکا در سیستم‌های ارتینگ چه مزایایی دارد؟

سیم میکا به کاهش مشکلات حلقه ارت کمک می‌کند، استحکام عایقی عالی دارد و از نشت جریان الکتریکی جلوگیری می‌کند و در نتیجه با حفظ اتصال، کارایی سیستم‌های ارتینگ را افزایش می‌دهد.

در فناوری سیم میکا چه پیشرفت‌هایی صورت گرفته است؟

پیشرفت‌های اخیر شامل توسعه پوشش‌های دو لایه میکا است که می‌توانند جریان‌های ضربه‌ای بالاتر و محدوده فرکانسی گسترده‌تری را تحمل کنند و بنابراین برای محیط‌های با ولتاژ ضربه‌ای بالا و فرکانس بالا مناسب هستند.