روش گوی غلتان در تعیین محل نصب صاعقه گیر

روش گوی غلتان در تعیین محل نصب صاعقه گیر

روش گوی غلتان جامع ترین و اساسی ترین روش برای جایابی، تعیین محل قرار گیری صاعقه گیر و طراحی سیستم های حفاظت در برابر صاعقه از طریق میله های پسیو صاعقه گیر است که زیربنای روش های دیگر نیز می باشد که بطور کامل در این مطالعه بررسی می گردد. این روش احتمال اصابت صاعقه به کناره های ساختمان را نیز مد نظر می گیرد. همانطور که در شکل روبرو نشان داده شده است ؛ یک کره با شعاع مشخص شده توسط کلاس حفاظتی سیستم صاعقه گیر (که توسط محاسبات و مطالعات ارزیابی ریسک مشخص شده است) را بر روی یک سازه نشان میدهد. هر مکانی از ساختمان که با سطح کره برخورد نماید ، ناحیه محافظت نشده تلقی شده و میله صاعقه گیر (پایانه هوایی) می بایست در آنجا نصب گردد.
سادگی روش گوی غلتان در این مسئله نهفته است که مقیاس به کار رفته در این روش با توجه به مدل ساختمان قابل تنظیم است و با بخش بندی ساختمان به نماهای متفاوت می توان این روش را با رسم بر جهت های مختلف  ساختمان اجرا نمود و در اجرا پایانه های صاعقه گیر ممکن است میله صاعقه گیر ، اتصال های هادی ها ، کابل معلق یا قسمت های فلزی سازه باشند. لازم به ذکر است برای ساختمان هایی که ارتفاع آنها کمتر از 60 متر است ، احتمال برخورد صاعقه به دیوارهای آن کم است و بنابراین نیازی به حفاظت در برابر صاعقه برای بخش های عمودی زیر چتر حفاظتی وجود ندارند. سیستم حفاظتی بر اساس استاندارد IEC برای 20 درصد بالایی کناره های ساختمان در ساختمان هایی با ارتفاع بالای 60 متر لازم است.


جدول روبرو شعاع گوی غلتان را در کلاس های حفاظتی LPS نشان می دهد. همانطور که مشخص است در کلاس حفاظتی I دارای کوچکترین شعاع گوی غلتان را دارد و بنابراین نقاط تماس در این کلاس حفاظتی بیشتر از نقاط تماس کلاس های دیگر است و این یعنی بسیاری از مناطق که در کلاس حفاظتی IV بعنوان مناطق محافظت شده شناخته شده اند ، در کلاس حفاظتی I حفاظت نشده هستند و می بایست پایانه صاعقه گیر نصب نمود. به همین دلیل کلاس حفاظتی I دارای بیشترین درجه حفاظتی و کلاس IV کمترین درجه حفاظتی را دارد. این نکته بسیار مهم است که در اجرای روش گوی غلتان حتما ابتدا باید مطالعات ارزیابی ریسک را توسط طراح پروژه انجام داد و با رسیدن به کلاس حفاظتی مد نظر ، شعاع گوی غلتان را انتخاب نموده و این گوی را بر روی سطح و ساختمان مورد نظر غلتانید.
در این جدول شعاع گوی غلتان در کلاس I برابر با 20 متر ، کلاس II برابر با 30 متر ، کلاس III برابر با 45 متر و در کلاس IV شعاع گوی غلتان 60 متر می باشد. در صاعقه گیر های الکترونیکی هم زمان فعالسازی بر اساس همین شعاع گوی غلتان طراحی می گردد ، بعنوان مثال در صاعقه گیر تندر 60 (THUNDER60) با زمان فعالسازی 60 میکروثانیه دارای شعاع گوی غلتان 60 متر می باشد. 

در حالیکه احتمال برخورد صاعقه به جوانب و دیواره های کناری ساختمان در ارتفاع های بیشتر از 60 متر وجود دارد ، این احتمال در ساختمان های با ارتفاع کمتر از 60 متر بسیار ناچیز است. در شکل زیر نواحی که در روش گوی غلتان بسته به ارتفاع ساختمان باید محافظت شود نشان داده شده است. مطابق شکل زیر در ساختمان های کمتر از 60 متر ، تنها نیاز است که سطح بالایی (پشت بام ساختمان ) حفاظت شود و اگر ساختمان دارای برجستگی باشد (از سمت چپ ساختمان دوم) علاوه بر پشت بام،  باید گوی بر روی ناحیه مورد نظر غلتانده شده و ناحیه محافظت نشده را بدست آورد . در ساختمان هایی با ارتفاع بیش از 60 متر و کمتر از 120 متر (شکل سوم و چهارم از چپ) ناحیه مورد حفاظت باید پشت بام و دیواره های جانبی با ارتفاع بیش از 80 درصد ارتفاع کل ساختمان باشد. در ساختمان های با ارتفاع بیش از 120 متر (شکل پنجم و ششم از چپ) تمامی مناطقی که بیش از 120 متر ارتفاع دارد حتما می بایست مورد حفاظت قرار گیرد.

روش گوی غلتان به طراحان  سیستم حفاظتی این امکان را می دهد تا ساختار بیرونی سازه را به زون های حفاظتی مجزا تقسیم نماید که طبق استاندارد IEC62305 تعریف شده است . به این زون ها زون صفر یا ( Zone 0) گفته می شود کخ خود به دو بخش تقسیم شده و به شرح ذیل می باشد.
زون صفر (Zone 0) : منطقه ای که تهدید آن بدلیل میدان مغناطیسی صاعقه غیر قابل اجتناب باشد(LPZ 0) و در آنجا سیستم های داخلی ممکن است تحت جریان کامل و یا جزیی صاعقه قرار بگیرند.

منطقه (LPZ 0 A) : منطقه ای که خطر (تهدید) در آن ،  ناشی از برخورد فلش مستقیم صاعقه و میدان مغناطیسی ناشی از آن می باشد و تجهیزات تحت تاثیر سرج جریان قرار می گیرند.
منطقه (LPZ 0 B) :  منطقه ای که در برابر برخورد مستقیم صاعقه محافظت شده است اما میدان مغناطیسی ناشی از آن هنوز می تواند بر روی تجهیزات تاثیر گذار باشد و تحت جریان جزئی رعد و برق قرار گیرند.







محاسبات روش گوی غلتان با میله های صاعقه گیر :

هنگامی که چندین راد صاعقه گیر برای محافظت از یک سطح یا سطح بالایی ساختمان مورد استفاده قرار می گیرد از رابطه d=sqrt(2rh-h^2) استفاده می شود. در این رابطه d فاصله بین دو میله صاعقه یر بر حسب متر ، r شعاع گوی غلتان بر حسب متر و h ارتفاع میله صاعقه گیر بر حسب متر می باشد. در جدول زیر فاصله میله ها بر اساس طول میله (تا 2 متر)و کلاس حفاظتی آورده شده است . بعنوان مثال در کلاس حفاظتی I با طول میله 1/5 متر فاصله میله های صاعقه گیر باید از یکدیگر 15/2 متر و برای کلاس حفاظتی IV فاصله میله ها باید 26/5 متر باشد. جدول زیر می تواند کمک به سزایی در تعیین محل نصب صاعقه گیر پسیو و میله ها در یک سیستم حفاظتی کند. بطور معمول در ایران و اکثر کشورها طول استاندارد میله حداکثر 2 متر است اما در صورت استفاده از میله های بلندتر می توان از رابطه فوق استفاده نمود. 

محاسبات رخنه گوی غلتان بین دو میله صاعقه گیر:

هنگام طراحی سیستم پایانه هوایی برای یک سطح یا پشت بام ساختمان میزان نفوذ و یا عمق فرو رفتگی گوی غلتان در میان دو میله صاعقه گیر می تواند یکی از پارامترهای مهم و تاثیر گذار در طراحی باشد. میزان رخنه گوی غلتان از رابطه p= r- sqrt(r^2 - (d/r)^2  بدست می اید.  که در آن p میزان رخنه بر حسب متر ، r شعاع گوی غلتان و d فاصله بین دو میله صاعقه گیر است.  در شکل زیر بطور مشخص این پارامترها نشان داده شده است. شکل سمت چپ (A) میزان نفوذ در سطح بالای ساختمان را نشان می دهد و شکل سمت راست (B) میزان نفوذ گوی غلتان در دو میله صاعقه گیر را نشان می دهد که از یک جسم کوچکتر محافظت می نمایند. از این روش برای محافظت تانکرهای سوخت ثابت و یا مخازن حاوی مواد اشتعالزا استفاده می شود و با گوی غلتان دقیقا فضای محافظت شده را با توجه به طول میله ها محاسبه می نمایند . 
جدول زیر میزان رخنه گوی غلتان را میان دو میله صاعقه گیر با فاصله تا 30 متر از یکدیگر را بر اساس کلاس حفاظتی نشان می دهد. بعنوان مثال برای دو میله به فاصله 5 متر از یکدیگر در کلاس حفاظتی 1 (یعنی شعاع گوی غلتان 20 متر) ، گوی تا 16 سانتی متر در فاصله دو میله رخنه خواهد کرد. و در کلاس IV میزان رخنه تنها 5 سانتی متر می باشد.