مقایسه عملکرد سرج ارستر DC با سرج ارستر AC

در جهان مدرن که تار و پود زندگی‌مان با نیروی برق در هم تنیده است، پایداری و امنیت شبکه‌های الکتریکی اهمیتی بنیادین یافته است. در این میان، «سرج ارستر» همچون نگهبانی خاموش، وظیفه پاسداری از تجهیزات حساس را بر عهده دارد؛ محافظی که در برابر هجوم ناگهانی ولتاژهای لحظه‌ای، چون صاعقه‌ای سهمگین یا نوسانات ناگهانی شبکه، به‌سان سپری فولادین می‌ایستد. در این مقاله ما به مقایسه عملکرد سرج ارستر DC با سرج ارستر AC می پردازیم و دلایل و اهمیت خرید انواع سرج ارستر DC و AC و استفاده از آن برای ساختمان‌ها و مدارهای برقی را بررسی می‌نماییم پس تا انتهای این مقاله همراه با امید بنیان عمران باشید.

نقش سرج ارستر تنها در کاهش خسارت‌ها خلاصه نمی‌شود؛ بلکه ضامن استمرار کارکرد بی‌وقفه سامانه‌های الکتریکی است. بدون حضور این عنصر حیاتی، کوچک‌ترین تغییر ولتاژ می‌تواند به فاجعه‌ای بزرگ برای تجهیزات گران‌بها و زیرساخت‌های حیاتی بدل گردد.

مقایسه بین سرج ارستر DC با سرج ارستر AC

سرج ارستر چیست؟

سرج ارستر (Surge Arrester یا SPD — دستگاه حفاظت در مقابل ولتاژ گذرا) نوعی قطعه الکتریکی است که برای دفع یا کاهش اثرات مخرب افزایش ناگهانی ولتاژ طراحی شده است. در حالت عادی، سرج ارستر تأثیر چشم‌گیری بر مدار ندارد — مقاومت آن بسیار زیاد است و جریان عبوری ناچیز است. اما وقتی یک پالس ولتاژی گذرا (مثلاً بر اثر صاعقه، نوسان سوییچینگ، قطع و وصل ناگهانی بار سنگین و امثال آن) بوجود می‌آید، اگر ولتاژ از حد آستانه معینی فراتر رود، سرج ارستر به عنوان یک مسیر هادی عمل می‌کند و جریان اضافی را به زمین یا نول منتقل می‌کند، تا ولتاژ وارد شده به تجهیزات کاهش یابد و آسیب به آنها نرسد.

اجزاء و فناوری‌های معمول

برای تحقق آن‌چه در بالا گفتیم، از قطعاتی با مشخصات غیرخطی استفاده می‌شود، که ویژگی مقاومت متغیر با ولتاژ دارند:

  1. وریستور (MOV — Metal Oxide Varistor): مقاومت آن در ولتاژ نرمال بالا است؛ اما وقتی ولتاژ افزایش یابد، مقاومت به شدت کاهش یافته و جریان را به زمین منحرف می‌کند. 
  2. ترانسدیود / دیودهای کاهنده ولتاژ: در برخی انواع سرج ارسترها برای کنترل ولتاژهای گذرا به کار می‌روند. 
  3. لوله تخلیه گازی (GDT — Gas Discharge Tube) یا اسپارک گپ: وقتی اختلاف پتانسیل به حدی برسد که گاز بین الکترودها یونیزه شود، مسیر تخلیه جریان برقرار می‌شود. 

به طور کلی، ترکیبی از این فناوری‌ها ممکن است در یک SPD به کار رود تا کارکرد مطمئن‌تر و ظرفیت تحمل بالاتری داشته باشد.

تفاوت بین جریان DC و AC

  1. جریان مستقیم (DC – Direct Current): نوعی جریان الکتریکی است که در آن بار الکتریکی (معمولاً الکترون‌ها) همواره در یک جهت حرکت می‌کند؛ یعنی جهت جریان ثابت است.
  2. جریان متناوب (AC – Alternating Current): در این نوع جریان، جهت و مقدار جریان به طور دوره‌ای تغییر می‌کند؛ یعنی جریان به جلو و عقب نوسان دارد.

نمودار و الگو

  1. در نمایش گرافیکی، جریان DC معمولاً به صورت یک خط افقی—نسبتاً ثابت—نشان داده می‌شود که تغییر جهت ندارد.
  2. جریان AC به صورت موج سینوسی (یا گاهی موج مربعی یا مثلثی) نمایش داده می‌شود که جهت و مقدار آن به صورت متناوب بالا و پایین می‌رود.

مزایا، معایب و کاربردها به خلاصه

ویژگی
DC
AC

ثبات جهت

ثابت — جریان همیشه در یک جهت حرکت می‌کند

متغیر — جهت جریان به صورت دوره‌ای تغییر می‌کند

انتقال توان در فواصل زیاد

در حالت سنتی چالشی‌تر است

آسان‌تر است؛ زیرا با ترانسفورماتورها می‌توان ولتاژ را بالا یا پایین برد و اتلاف را کاهش داد

ذخیره و کاربرد در الکترونیک

 مناسب برای باتری‌ها و دستگاه‌های الکترونیکی

اغلب باید به DC تبدیل شود تا برای مدارهای الکترونیکی قابل استفاده گردد

قطعی و ایمنی

خاموش کردن آن در ولتاژ بالا ممکن است مشکل ایجاد کند

چون جریان به صفر نیز می‌رسد در هر دوره، امکان خاموشی ایمن‌تر وجود دارد

دلایل مهم استفاده از سرج ارستر در سیستم برق دهی ساختمان،مهمترین نکاتی که باید برای هر ساختمان آن را انجام داد.

مطالعه بیشتر

سرج ارستر AC چیست؟

«سرج ارستر AC» (یا SPD ویژه سیستم‌های متناوب) به دستگاهی گفته می‌شود که برای مهار و تخلیه ولتاژهای گذرای ناخواسته در شبکه‌های برق AC طراحی شده است. در سیستم‌های AC، ولتاژ و جریان دائماً در جهت و مقدار تغییر می‌کنند، و لذا وجود یک SPD که دقیقاً برای چنین محیطی پاسخگو باشد، ضروری است. اساس کار آن مشابه SPD عمومی است، اما پارامترها و طراحی‌اش برای شرایط متناوب بهینه‌سازی شده است.

به بیان دیگر، سرج ارستر AC در شرایط عادی تقریباً غیرفعال است و جریان ناچیزی از آن عبور می‌کند. اما وقتی ولتاژ ناگهانی به حدی برسد که از آستانه (ولتاژ کلیدزنی یا ولتاژ «clamping») بگذرد، دستگاه به حالت هادی درمی‌آید و جریان اضافی را به زمین یا نول هدایت می‌کند، تا سطح ولتاژ در مدار مورد حفاظت کاهش یابد و تجهیزات آسیب نبینند. این عملکرد مطابق با تعریف کلی SPD است.

08 03 1

ساختار و عناصر مهم در SPD برای AC

یک سرج ارستر AC معمولاً از ترکیبی از عناصر غیرخطی و کنترل‌کننده ولتاژ تشکیل شده است تا هم در ولتاژ نرمال عایق باشد و هم به سرعت در ولتاژ گذرا به حالت هادی درآید. اجزای رایج عبارت‌اند از:

  1. وریستور فلز اکسیدی (MOV — Metal Oxide Varistor): محبوب‌ترین عنصر در SPDهای AC است. در ولتاژ پایین مقاومت بالایی دارد و در ولتاژ بالا به سرعت مقاومتش کاهش می‌یابد و مسیر تخلیه جریان را فراهم می‌کند.

  2. گپ تخلیه (Spark Gap) یا لوله گازی (GDT): وقتی اختلاف پتانسیل بین دو الکترود به حدی برسد که گاز بین آن‌ها یونیزه شود، جریان تخلیه برقرار می‌گردد.

  3. سکسیون‌های حفاظتی موازی: ممکن است SPD شامل عناصر موازی از نوع MOV، گپ و سایر تکنولوژی‌ها باشد تا عملکرد بهتر، افزونگی و ظرفیت تحمل بالاتر فراهم گردد.

  4. مدار نشانگر وضعیت و سیستم‌های نظارتی: بسیاری از SPDهای مدرن امکان اعلام وضعیت (سالم یا خراب) به صورت بصری یا سیگنال الکتریکی دارند تا بهره‌بردار بداند دستگاه قابل تعویض است یا خیر.

  5. مدارهای خنثی‌سازی نوسان و فیلترهای داخلی: برخی SPDها دارای اجزایی هستند که نوسان‌های اضافی را کنترل کرده و بازتاب ولتاژ را کاهش می‌دهند.

  6. پارامترهای کلیدی مثل UcU_c و UpU_p:
     - UcU_c: ولتاژ عملکرد مداوم — بیشینه ولتاژی است که SPD می‌تواند بدون فعال شدن تحمل کند. 
     - UpU_p: ولتاژ محدود ‌شده یا ولتاژی که SPD در هنگام تخلیه جریان بر روی خود نشان می‌دهد (ولتاژ باقی‌مانده)

در SPDهای ترکیبی (برای مثال نوع Type 1+2) که هم در مواقع صاعقه و هم ولتاژ گذرا کار می‌کنند، ترکیبی از اجزای کلیدزنی و محدودکننده (varistor) به کار می‌رود تا عملکرد بهتری ارائه شود.

کاربردهای سرج ارستر AC در شبکه‌های متناوب

سرج ارسترهای AC در محیط‌ها و کاربردهای متنوعی به کار می‌روند، از شبکه توزیع برق شهری گرفته تا تابلوهای صنعتی و سیستم‌های خورشیدی. در ادامه چند مورد کاربرد معمول:

  1. تابلوهای برقی عمومی و ساختمان‌ها: در ورودی تابلو توزیع مرکزی و تابلوهای فرعی، SPD نصب می‌شود تا ولتاژ گذرا قبل از رسیدن به مصارف حساس مهار شود.
  2. صنایع و خطوط تولید حساس: در خط‌هایی که تجهیزات الکترونیکی (مثل کنترلرها، PLCها، سنسورها) دارند، حفاظتی مخصوص SPD در مبادی ورودی برق گذاشته می‌شود.
  3. سیستم‌های خورشیدی / ترکیبی (Hybrid) — بخش AC: وقتی خروجی اینورتر به شبکه AC متصل می‌شود، SPD AC می‌تواند از ولتاژهای گذرا محافظت کند.
  4. مخابرات و تجهیزات الکترونیکی: در تجهیزاتی که از برق AC تغذیه می‌شوند، برای محافظت در برابر ولتاژهای گذرا، SPD AC در تغذیه دستگاه‌ها/ رک‌ها نصب می‌شود.
  5. شبکه‌های توزیع کم‌ولتاژ صنعتی: برای حفاظت ترانسفورماتورها، کابل‌ها و تجهیزات توزیع در شبکه‌های صنعتی از SPDهای AC در نقاط استراتژیک استفاده می‌شود.

سرج ارستر DC چیست؟

سرج ارستر DC (یا SPD در سیستم DC) قطعه ای است که برای محافظت از سیستم‌ها و تجهیزات برق مستقیم در برابر ولتاژهای گذرای ناخواسته طراحی شده است. در مدار DC، چون جریان همواره در یک جهت ثابت است، SPD باید طوری طراحی شود که با این ویژگی هماهنگ باشد.وظیفه او این است که وقتی ولتاژ از یک حد مشخص فراتر رفت (ولتاژ گذرا یا surge)، مسیر کم‌مقاومتی ایجاد کند و جریان اضافی را به نقطه زمین یا نقطه مرجع (یا قطب منفی مدار) هدایت کند تا تجهیزات حساس آسیب نبینند. 

ساختار داخلی و اجزا

برای اینکه سرج ارستر DC بتواند در حالت عادی بی‌اثر باشد و در شرایط گذرا عملکرد حفاظتی داشته باشد، از اجزا و فناوری‌های خاصی استفاده می‌شود:

جزء / فناوری
عملکرد
ویژگی خاص در مدار DC

وریستور فلزی اکسیدی (MOV)

در ولتاژ نرمال مقاومت بالا دارد؛ وقتی ولتاژ از آستانه عبور کند، مقاومت به‌شدت کاهش یافته و جریان گذرا را محدود یا هدایت می‌کند.

چون در DC جریان همواره در یک جهت است، MOV باید قطب خاصی داشته باشد یا در ترکیب مناسب قرار گیرد تا از عبور جریان ناخواسته جلوگیری کند.

لوله تخلیه گازی / گپ تخلیه (GDT / spark gap)

وقتی ولتاژ زیاد شود، گاز بین الکترودها یونیزه شده و جریان تخلیه برقرار می‌کند.

در طراحی باید فاصله هوایی و عایق‌بندی مناسب لحاظ شود تا از قوس ناخواسته جلوگیری شود.

دیود سرج (TVS / avalanche diode)

در رسیدن به ولتاژ آستانه، جریان ناگهانی را به زمین هدایت می‌کند یا ولتاژ را محدود می‌سازد.

پاسخ سریع، ولی محدودیت جریان جذب دارد؛ معمولاً در حفاظت مدارهای حساس به کار می‌رود.

طراحی عایقی و فواصل (Creepage & Clearance)

به منظور جلوگیری از قوس بین ترمینال‌ها و مسیرهای مجاور، فواصل مناسبی بین اجزا در نظر گرفته می‌شود.

در سیستم DC با ولتاژ بالا، این فواصل باید بیشتر باشند چون هیچ لحظه‌ای جهت جریان صفر نیست.

مدار نشانگر وضعیت / هشدار

بسیاری از SPDهای مدرن دارای نشانگر وضعیت (سالم / خراب) یا خروجی اعلام وضعیت (remote alarm) هستند.

این امکان کمک می‌کند تا کاربر بداند آیا SPD پس از یک تخلیه نیاز به تعویض دارد یا خیر.
ساختار داخلی و اجزا سازنده سرج ارستر Dc

کاربردها و موارد استفاده

سرج ارستر DC در بسیاری از سیستم‌ها و حوزه‌ها کاربرد حیاتی دارد، به‌ویژه در مواردی که بخش DC در سیستم وجود دارد یا کل سیستم بر مبنای ولتاژ مستقیم کار می‌کند:

  1. سیستم‌های خورشیدی (PV): در بخش DC پنل‌ها به SPD نیاز است تا نوسان‌ها یا ضربات ولتاژی که ممکن است از اثرات خارجی یا داخلی ایجاد شود، تجهیزات را محافظت کند.
  2. ذخیره انرژی باتری / سیستم‌های ذخیره‌سازی DC: در مسیر اتصال باتری‌ها یا سیستم‌های DC دیگر، SPD از تجهیزات محافظت می‌کند.
  3. تأسیسات مخابراتی یا مراکز داده با تغذیه DC: در این سیستم‌ها برای جلوگیری از اختلال یا آسیب به تجهیزات حیاتی، SPD DC ضروری است.
  4. شارژرها و ایستگاه‌های شارژ DC (مثلاً شارژ وسایل نقلیه برقی): ولتاژ مستقیم زیاد و احتمال نوسان بالا ایجاب می‌کند SPD مناسب در مسیر DC قرار گیرد.
  5. سیستم‌های کنترل صنعتی یا الکترونیکی که از ولتاژ DC استفاده می‌کنند: برای محافظت از منابع تغذیه، سنسورها، پردازنده‌ها و مدارات کنترل.

تفاوت عملکردی سرج ارستر AC و DC

چون AC و DC ماهیت الکتریکی متفاوتی دارند، همین تفاوت‌ها تأثیر عمیقی بر طراحی و عملکرد SPDها می‌گذارند:

ویژگی پایه‌ای
AC
DC

جهت جریان / ولتاژ

متناوب: ولتاژ و جریان با دوره زمانی تغییر می‌کنند (مثلاً مثبت به منفی)

ثابت و یکنواخت: جهت و قطب ولتاژ همیشه ثابت

صفر گذر طبیعی (Zero Crossing)

هر دوره، ولتاژ و جریان از صفر عبور می‌کنند — این نقطه کمک می‌کند در خاموش شدن قوس الکتریکی

چنین نقطه‌ای وجود ندارد؛ قوس ممکن است بدون تعديل خاموش نشود

امپدانس و اجزای فرکانسی

شامل مقاومت، سلف و خازن است (عناصر وابسته به فرکانس)

اغلب امپدانس بیشتر به مقاومت‌های ثابت محدود می‌شود؛ اجزای فرکانسی (سلف/خازن) نقش کم‌تری دارند

ظرفیت جریان خطا / اتصال کوتاه

در بسیاری موارد محدودتر است چون امپدانس مدار و عناصر حفاظتی دیگر

ممکن است جریان‌های خطا بزرگ‌تر اتفاق بیفتد (به خاطر مقاومت پایین‌تر مدار)

چگونه سرج ارسترها در شرایط گذرا واکنش نشان می‌دهند

در سیستم AC:

  1. وقتی یک ولتاژ گذرا (ناگهانی) رخ می‌دهد، SPD در ولتاژی نزدیک به آستانه (clamping voltage) به حالت هادی درمی‌آید و جریان اضافی را به زمین یا مسیر حفاظتی هدایت می‌کند.
  2. چون ولتاژ AC به‌طور دوره‌ای صفر می‌شود، این نقطه‌ی صفر عبور کمک می‌کند قوس‌های الکتریکی شکل گرفته سریع‌تر خاموش شوند. این امر طراحی داخلی SPD را ساده‌تر می‌کند. 
  3. اجزایی مثل MOV (وریستور) یا گپ تخلیه (GDT) در SPDهای AC می‌توانند در هر نیم‌دوره مثبت یا منفی کار کنند — یعنی SPD باید دوطرفه باشد (bidirectional) تا ولتاژ مثبت و منفی را کنترل کند.

در سیستم DC:

  1. وقتی یک ولتاژ گذرا در مدار DC رخ می‌دهد (مثلاً از قطع یا وصل ناگهانی بار القایی، یا ناشی از صاعقه روی سیم‌کشی)، SPD باید سریعاً فعال شود و جریان اضافی را به سمت زمین یا قطب منفی منحرف کند.
  2. مشکل اصلی این است که در DC نقطه‌ی صفر عبور وجود ندارد، پس قوس الکتریکی ممکن است خودپایدار بماند یا خاموش نشود. برای مدیریت این مشکل، SPDهای DC باید مکانیزم‌های خاصی برای خاموش کردن قوس داشته باشند: مثلاً قطع حرارتی، اتصالات مکانیکی، محفظه قوس یا ساختارهایی که بتوانند مسیر قوس را قطع کنند.
  3. SPDهای DC معمولاً از MOVهای با توان تحمل ولتاژ بالاتر استفاده می‌کنند چون دستگاه DC ممکن است ولتاژ ثابت بالایی (برای مثال در سیستم‌های خورشیدی) داشته باشد. 
  4. همچنین SPDهای DC باید توانایی تحمل انرژی و جریان تخلیه بزرگ را داشته باشند — چون جریان گذرا ممکن است بزرگ‌تر و ادامه‌دار باشد.

سناریوهای خاص و مقایسه عملکردی

بیایید چند وضعیت را بررسی کنیم و ببینیم عملکرد در AC و DC چگونه تفاوت می‌کند:

  1. در هر دو سیستم، SPD طراحی شده برای نوع ولتاژ (AC یا DC) وارد عمل می‌شود.
  2. در AC: قوس ناشی از surge ممکن است در هر نیم‌دوره خاموش شود و SPD فقط در زمان مشخصی فعال باشد.
  3. در DC: چون ولتاژ ثابت است، قوس باید توسط مکانیزمی قطع شود (قطع حرارتی، جداسازی مکانیکی). SPD باید این قابلیت را داشته باشد تا از ادامه جریان مخرب جلوگیری کند.
  1. در AC: وقتی یک بار القایی خاموش می‌شود، یک پالس ولتاژی پدید می‌آید که SPD باید در آن نیم‌دوره واکنش دهد.
  2. در DC: قطع بار القایی می‌تواند موجب یک ولتاژ گذرا بزرگ شود که SPD باید فوراً وارد عمل شود و مسیر قوس را قطع کند — چالش اصلی خاموش کردن قوس است.
  1. در AC: جریان خطا معمولاً خودبه‌خود با مدارهای حفاظتی دیگر قطع می‌شود و SPD در آن مرحله وظیفه حفظ ایمنی را بر عهده دارد.
  2. در DC: چون جریان دائمی و امکان بالاتری برای جریان زیاد وجود دارد، SPD باید توان تحمل این جریان را داشته باشد و در عین حال بتواند در صورت لزوم خود را از مدار جدا کند (قطع مکانیکی یا گرمایی). این مورد مهم‌تر است زیرا قوس در DC می‌تواند ادامه یابد و آسیب شدید ایجاد کند.

نقاط قوت و ضعف در مقایسه

معیار
AC SPD
DC SPD

سادگی طراحی قوس‌زدایی

به کمک نقطه‌ی صفر عبور، قوس راحت‌تر خاموش می‌شود

نیاز به مکانیزم‌های جداسازی پیچیده‌تر چون قوس خود به خود خاموش نمی‌شود

ولتاژ نامی

معمولاً ولتاژ متوسط (مانند ۱۱۵ تا ۶۹۰ ولت AC)

SPDهای DC ممکن است برای ولتاژهای بسیار بالا (۶۰۰ تا ۱۵۰۰ ولت DC) طراحی شوند، به خصوص در سیستم‌های خورشیدی یا ذخیره انرژی

هزینه و پیچیدگی تولید

به دلیل ماهیت طبیعی خاموش شدن قوس، طراحی معمولاً ساده‌تر و هزینه کمتر

هزینه بالاتر به علت نیاز به تجهیزات قوس‌زدایی پیشرفته و اجزای مقاوم‌تر

محدودیت در استفاده جابجایی (cross-application)

SPD طراحی شده برای AC معمولاً برای DC مناسب نیست — ممکن است قوس‌زدایی ضعیف داشته باشد یا نتواند به‌درستی عملکرد کند

مشابه است؛ SPD DC برای AC نیز کاربرد ندارد چون طراحی قطبیت و قوس‌زدایی متفاوت است

تطابق با استانداردها

استانداردهایی مثل IEC 61643-11 برای SPD در سیستم

استانداردهایی مانند IEC 61643-31 برای SPD در سیستم‌های DC (مثلاً PV)

🌩️ نمودار مقایسه‌ای عملکرد سرج ارسترهای AC و DC

ویژگی
سرج ارستر AC
سرج ارستر DC

نوع جریان

متناوب (AC)

مستقیم (DC)

نقطه صفر عبور

دارد؛ کمک به خاموش شدن قوس

ندارد؛ چالش در خاموش کردن قوس

جهت جریان

متغیر (مثبت و منفی)

ثابت (مثلاً ۵۰۰V مثبت)

طراحی داخلی

معمولاً دوطرفه (bidirectional)

یک‌طرفه (unidirectional)

مکانیزم خاموش کردن قوس

استفاده از نقطه صفر عبور

مکانیزم‌های خاص مانند گپ تخلیه (GDT) یا قطع حرارتی

ولتاژ نامی

معمولاً ۱۱۵V تا ۶۹۰V

معمولاً ۶۰۰V تا ۱۵۰۰V

کاربرد رایج

سیستم‌های توزیع برق، تجهیزات خانگی

سیستم‌های خورشیدی، مخابرات، خودروهای الکتریکی

هزینه تولید

معمولاً کمتر

معمولاً بیشتر به دلیل نیاز به مکانیزم‌های پیچیده‌تر

سختی طراحی

ساده‌تر به دلیل وجود نقطه صفر عبور

پیچیده‌تر به دلیل عدم وجود نقطه صفر عبور و نیاز به مکانیزم‌های خاص

این نمودار به‌وضوح نشان می‌دهد که سرج ارسترهای AC و DC با توجه به ویژگی‌های متفاوت جریان‌های متناوب و مستقیم، طراحی و عملکرد متفاوتی دارند. در سیستم‌های AC، وجود نقطه صفر عبور کمک می‌کند تا قوس‌های الکتریکی به‌راحتی خاموش شوند، در حالی‌که در سیستم‌های DC، به دلیل عدم وجود این نقطه، نیاز به مکانیزم‌های خاص برای خاموش کردن قوس وجود دارد.

مقایسه سرج ارستر با محافظ ولتاژ؛ دلایل مهم برای استفاده و خرید انواع سرج ارستر برای پروژه‌های عمرانی و ساختمانی

مطالعه بیشتر

ساختار داخلی و مواد استفاده‌شده

ساختار داخلی سرج ارستر (Surge Arrester) به‌گونه‌ای طراحی شده است که بتواند در برابر اضافه ولتاژهای گذرا، مانند صاعقه یا سوئیچینگ‌های ناگهانی، از تجهیزات الکتریکی محافظت کند. این دستگاه با هدایت جریان اضافی به زمین، از آسیب به دستگاه‌های حساس جلوگیری می‌کند. سرج ارسترها معمولاً از ترکیب اجزای زیر ساخته می‌شوند:

  1. واریستورهای اکسید فلزی (MOV): این قطعات در حالت عادی مانند مقاومت‌های با مقدار بالا عمل می‌کنند. زمانی که ولتاژ از حد معینی بالاتر می‌رود، مقاومت آن‌ها کاهش یافته و جریان اضافی را به زمین هدایت می‌کنند.
  2. اسپارک گپ (Spark Gap): این قطعه در ولتاژهای بسیار بالا وارد عمل می‌شود و با ایجاد یک مسیر تخلیه، جریان اضافی را به زمین منتقل می‌کند.
  3. دیودهای بهمنی (Avalanche Diodes): این دیودها در مدارهای DC برای هدایت جریان اضافی به زمین استفاده می‌شوند و در برابر ولتاژهای بالا مقاوم هستند.
  4. محفظه‌های پلیمری یا سرامیکی: برای عایق‌بندی و حفاظت از اجزای داخلی در برابر شرایط محیطی مختلف، از محفظه‌های مقاوم استفاده می‌شود.

🛠️ مواد و ساختار فنی

در ساختار سرج ارسترها، از مواد مختلفی استفاده می‌شود:

  1. واریستورهای اکسید فلزی: ترکیبی از اکسیدهای فلزی که در برابر ولتاژهای بالا مقاوم هستند.
  2. محفظه‌های پلیمری: از مواد مقاوم در برابر رطوبت و تخلیه جزئی برای حفاظت از اجزای داخلی استفاده می‌شود.
  3. اسپارک گپ‌ها: از جنس فلزات مقاوم در برابر حرارت و تخلیه الکتریکی ساخته می‌شوند.

در حالت عادی، سرج ارستر مانند یک مقاومت با مقدار بالا عمل می‌کند و جریان عبوری را مسدود می‌سازد. زمانی که ولتاژ ورودی از حد معینی بالاتر می‌رود، اجزای داخلی وارد عمل شده و جریان اضافی را به زمین هدایت می‌کنند، بدین ترتیب از آسیب به تجهیزات جلوگیری می‌شود.

ولتاژ کاری و سطح حفاظت مقایسه پارامترهای الکتریکی

در ادامه به بررسی دقیق ولتاژ کاری و سطح حفاظت در سرج ارسترها می‌پردازم، همراه با مقایسه پارامترهای الکتریکی مهم، مفاهیم کلیدی: Uc و Up و دیگر پارامترها

برای درک بهتر، ابتدا باید با چند پارامتر اساسی آشنا شویم:

  1. Uc (Maximum Continuous Operating Voltage): بیشینه ولتاژ مؤثری است که SPD می‌تواند به طور دائم تحمل کند بدون فعال شدن محافظت (در حالت عادی). 
  2. Up (Voltage Protection Level یا ولتاژ محدودشده): ولتاژی است که در هنگام ورود جریان گذرا، در ترمینال‌های SPD ظاهر می‌شود؛ یعنی وقتی SPD فعال می‌شود، ولتاژ در مدار تحت محافظت تا حد Up محدود می‌گردد. 
  3. In (Nominal Discharge Current): جریان پیک (معمولاً با موج ۸/۲۰ میکروثانیه) که SPD قادر است به دفعات مشخص تحمل کند.
  4. Imax (Maximum Discharge Current): بیشینه جریان (نگاهی به موج ۸/۲۰) که SPD می‌تواند تنها یک بار یا در شرایط خاص تحمل کند بدون آسیب دائمی. 
  5. Iimp (Impulse Current): جریان پیک مربوط به موج ضربه‌ای (مثلاً ۱۰/۳۵۰) که برای SPDهای نوع ۱ تعریف می‌شود. 
  6. Uoc (Open circuit voltage) یا Um: ولتاژ بدون بار هنگام آزمایش موج ترکیبی (برای SPD نوع ۳).
  1. هدف Uc این است که SPD در وضعیت عادی شبکه، بدون فعال شدن (بدون جریان تخلیه قابل توجه) به کار خود ادامه دهد. 
  2. ولتاژ کاری انتخابی باید همیشه بیشتر یا مساوی ولتاژ نامی سیستم برق باشد تا SPD ناخواسته عمل نکند. 
  3. اما اگر Uc خیلی بزرگ گرفته شود، SPD دیرتر فعال می‌شود و ولتاژ گذرا بیشتری ممکن است به تجهیزات برسد. 
  4. معمولاً برای شبکه‌های LV (ولتاژ پایین) با ولتاژ فازی ۲۲۰ ولت، Uc حدود ۲۵۵ تا ۳۸۵ ولت انتخاب می‌شود تا هم تحمل نوسان‌ها را داشته باشد و هم حفاظتی مناسب ارائه دهد. 
  5. برای سیستم‌های سه‌فاز، اگر شبکه به صورت مثلث (دلتا) باشد، چون ممکن است نقطه نول نداشته باشد، Uc باید بر مبنای ولتاژ فازی یا خطی محاسبه شود (مثلاً ۴۴۰ ولت یا بیشتر).
  1. Up نمایانگر این است که وقتی SPD وارد حالت فعال می‌شود، چه ولتاژی را “تحویل” می‌دهد (ولتاژ باقی‌مانده). 
  2. هدف این است که Up کمتر از ولتاژ مقاومتی گذرای تجهیزات (Impulse withstand voltage — Uw) باشد، تا تجهیزات تحت محافظت آسیب نبیند. 
  3. هر قدر Up پایین‌تر باشد، SPD در تبدیل یا محدود کردن ولتاژ گذرا مؤثرتر است؛ اما Lower Up معمولاً به قیمت طراحی پیچیده‌تر یا انتخاب قطعات بهتر تمام می‌شود.
  4. Up به همراه تأثیرات القایی کابل‌های بین SPD و تجهیزات، باید محاسبه شود تا مجموع Up + ΔU (افت القایی سیم) کمتر از مقاومت تجهیزات باشد.

جمع‌بندی مقایسه پارامتری

  1. Uc تعیین‌کننده محدوده کاری عادی SPD است و باید همخوان با ولتاژ سیستم باشد.
  2. Up تعیین‌کننده ولتاژ نهایی مجاز برای تجهیزات در هنگام نوسان است.
  3. در انتخاب SPD، باید بین ولتاژ کاری نسبتاً پایین (برای فعال شدن سریع در صورت نوسان) و توان تحمل ولتاژ و جریان گذرا تعادلی برقرار کرد.
  4. پارامترهای In و Imax اهمیت آنها در تحمل جریان‌های گذرا است و نباید نادیده گرفته شوند.
  5. در طراحی و نصب، افت ولتاژ (ΔU) کابل‌ها و تأخیر پاسخ SPD هم باید در محاسبه نهایی سطح حفاظت لحاظ شود.

مقایسه سرج ارستر با محافظ ولتاژ؛ دلایل مهم برای استفاده و خرید انواع سرج ارستر برای پروژه‌های عمرانی و ساختمانی

مطالعه بیشتر

محل نصب و استانداردها سرج ارستر AC با سرج ارستر DC

در ادامه به بررسی محل نصب و استانداردهای مرتبط برای سرج ارسترهای AC و DC می‌پردازم، همراه با الزامات ایمنی و نکات مهندسی حیاتی.

  1. نصب در نقطه ورودی سیستم (Service Entrance / Main Distribution)
    • برای محافظت از کل سیستم، یک SPD از نوع Type 1 یا ترکیبی (Type 1+2) معمولاً در ورودی تابلو اصلی یا نقطه ورود برق به ساختمان نصب می‌شود تا ولتاژ گذرای خارجی (مثلاً از صاعقه) قبل از ورود به سیستم داخلی کنترل شود. 
    • در این موقعیت باید SPD بین فازها و زمین (و نول در سیستم‌های دارای نول) متصل شود. 
    • سیم اتصال به زمین باید کم طول، ضخیم و با مقاومت کم باشد تا ولتاژ اضافی ناشی از القای سیم کاهش یابد. 
  2. تابلوهای فرعی یا شاخه‌ای (Sub-distribution / Subpanels)
    • برای محافظت تجهیزات خاص داخل تابلوهای فرعی، SPDهای Type 2 در نزدیکی ورودی تابلوهای فرعی نصب می‌شوند. این کار باعث می‌شود نوسان‌های ناشی از کلیدزنی محلی یا عبور از تابلو اصلی تا حدی مهار شوند. 
    • در این حالت، SPD باید به برق فازها، نول (در صورت وجود) و زمین متصل گردد و سیم‌ها کوتاه باشد. 
  3. نزدیک تجهیزات حساس یا مصرف‌کننده (Point-of-Use)
    • گاهی SPD از نوع Type 3 یا محافظ‌های ولتاژ پایین به صورت نزدیک به دستگاه‌های حساس (مثلاً تجهیزات الکترونیکی، سرورها، تجهیزات مخابرات) نصب می‌شوند تا ولتاژ گذراهای باقی‌مانده را کاهش دهند. 
    • در این حالت، کابل اتصال SPD به تجهیزات باید خیلی کوتاه باشد تا افت و القای مسیر کم شود.
نکات مهم نصب در AC
  1. کوتاهی سیم اتصال: معمولاً مسیر بین SPD و نقطه زمین یا تابلو باید کمتر از ۰٫۵ متر باشد تا افت القایی زیاد نشود. 
  2. استفاده از روش “V-wiring” یا کابل‌بندی شاخه‌ای کوتاه: یعنی سیم تغذیه به SPD و سپس به تجهیزات، به شکل V متقارن تا افت ولتاژ القایی کمتر شود. 
  3. اتصال زمین با مقاومت کم: مقاومت زمین باید کم باشد و مسیر اتصال زمین به SPD کوتاه باشد. اگر مقاومت زمین زیاد باشد، موثر بودن SPD کاهش می‌یابد.
  4. هماهنگی با سیستم حفاظتی دیگر: باید SPD طوری قرار گیرد که کلیدها، فیوزها و حفاظت‌های دیگر باعث قطع ناخواسته نشوند؛ معمولاً SPD قبل از RCDها یا حفاظت جریان با تأخیر نصب می‌شود. 
  5. انطباق با استاندارد IEC 61643-11: SPDهای AC باید مطابق بخش ۱۱ استاندارد IEC 61643 طراحی و آزمایش شوند.

سرج ارستر DC مخصوصاً در سیستم‌هایی مانند سیستم خورشیدی، باتری‌ها، یا تابلوهای DC کاربرد دارد. محل نصب و الزامات متفاوتی دارد:

الزامات استانداردی مرتبط

  1. SPDهای DC که برای سیستم‌های فتوولتائیک (PV) طراحی شده‌اند باید مطابق IEC 61643-31 باشند. این استاندارد مخصوص SPD در سمت DC سیستم PV است. 
  2. SPDهای AC از IEC 61643-11 استفاده می‌کنند و SPDهای DC از IEC 61643-31 باید تبعیت کنند. 
  3. در سیستم PV، نصب SPD در سمت DC تقریباً الزامی است مگر ارزیابی ریسک خلاف آن را نشان دهد.
محل نصب در سیستم‌های DC (مثال در سیستم خورشیدی)
  1. نزدیکی به آرایه PV / پنل‌ها (خط DC خروجی پنل): اگر فاصله بین پنل‌ها و اینورتر زیاد باشد (مثلاً ≥ ۱۰ متر)، یک SPD در نزدیکی آرایه نصب می‌شود برای کاهش اثر نوسان بر طول کابل.
  2. نزدیکی اینورتر / نقطه تبدیل DC به AC: اگر فاصله طولانی بین پنل و اینورتر نباشد، SPD در نزدیکی اینورتر نصب می‌شود تا ولتاژ گذرا ورودی کنترل شود. 
  3. کوتاهی کابل‌ها: مثل مورد AC، در مسیر DC نیز باید کابل SPD به ترمینال‌های DC بسیار کوتاه باشد (جمع مجموع طول‌ها کمتر از ~۰٫۵ متر ترجیحاً). 
  4. اتصال زمین / نقطه مرجع: واضح است که SPD باید به زمین یا سیستم مرجع DC متصل شود (یا بین قطب مثبت/منفی و زمین). انتخاب نقطه مرجع باید مطابق استاندارد DC سیستم باشد.

مقایسه و جمع‌بندی الزامات نصب AC vs DC

ویژگی
سرج ارستر AC
سرج ارستر DC

استاندارد مرجع

IEC 61643-11 و استانداردهای عمومی SPDs

مستقیم (DC)

بهترین محل نصب

نزدیک نقطه ورود برق به سیستم / تابلو اصلی، و تابلوهای فرعی برای حفاظت محلی

در سمت DC (مثلاً سمت پنل یا اینورتر) و نزدیک تجهیزات مهم DC

طول کابل اتصال مجاز

معمولاً ≤ 0.5 متر، با سیم کوتاه و ضخیم

همچنین باید کوتاه باشد؛ در سیستم‌های PV اگر فاصله زیاد است SPD چندگانه نصب می‌شود

اتصال زمین و مسیر مرجع

اتصال به زمین یا نول/PE با مسیر کم مقاومت و کابل ضخیم

اتصال به نقطه مرجع DC یا زمین، بسته به طراحی سیستم

هماهنگی با سیستم حفاظتی

SPD غالباً قبل از حفاظت‌های جریان یا RCDها قرار می‌گیرد تا اضافه ولتاژ باعث قطع ناخواسته نشوند

باید در نظر گرفته شود که SPD نتواند با سایر حفاظت‌ها تداخل کند؛ انتخاب مدار هماهنگ ضروری است

الزامات محل خاص

اگر سیستم دارای حصار صاعقه (lightning protection system — LPS) باشد، SPD نوع ۱ باید بعد یا قبل از متر برق گذاشته شود با شرایط خاص

در سیستم PV ممکن است چند SPD لازم باشد: یکی نزدیک پنل خورشیدی و یکی نزدیک اینورتر در صورت مسافت زیاد

گام‌های اصلی برای انتخاب صحیح سرج ارستر AC vs DC

  1. شناسایی نوع سیستم الکتریکی
    ابتدا باید بدانید سیستم شما AC است یا DC. اگر سیستم شما شبکه برق شهری یا توزیع متناوب (مثلاً ۲۳۰ VAC، سه‌فاز ۴۰۰ VAC و غیره) است، گزینه شما سرج ارستر AC خواهد بود. اگر سیستم شما بر پایه ولتاژ مستقیم است (مثلاً سامانه خورشیدی، باتری، سیستم برق DC کنترل، راه‌آهن، شارژر DC و غیره) باید سرج ارستر DC انتخاب کنید.
  2. مقایسه ولتاژ نامی سیستم با ولتاژ کاری SPD (Uc)
    • برای سیستم AC، باید SPD‌ای انتخاب شود که Uc آن کمی بالاتر از ولتاژ اسمی سیستم باشد (معمولاً حدود ۱.۱ تا ۱.۳ برابر). 
    • برای سیستم DC، چون ولتاژ ثابت و بدون تغییر جهت است، SPD باید Uc‌ای داشته باشد که از بالاترین ولتاژ DC سیستم بیشتر باشد — مثلاً اگر سیستم خورشیدی تا ۱۰۰۰ ولت DC کار می‌کند، SPD باید Uc ≥ ۱۰۰۰ ولت (یا کمی بیشتر) باشد. 
  3. بررسی جریان گذرا قابل تحمل (In, Imax, Iimp)
    SPD باید توانایی تحمل انرژی گذرا را داشته باشد: یعنی In (جریان تخلیه عادی) و Imax یا Iimp (جریان پیک) را پوشش دهد. در سیستم‌های با ریسک قوی (مناطق پرنوسان، مجاورت خطوط انتقال، محل‌های نزدیک صاعقه) باید SPD با توان تخلیه زیاد انتخاب شود. 
  4. توجه به نوع حفاظت و طبقه‌بندی SPD (Type 1, Type 2, Type 3 یا ترکیبی)
    در AC معمولاً سه سطح حفاظت داریم:
    • Type 1: برای نقطه ورود (مواجهه با ضربات صاعقه)
    • Type 2: در تابلوهای داخلی
    • Type 3: نزدیک تجهیزات حساس
      همچنین SPDهای ترکیبی (Type 1+2) در برخی نقاط کاربرد دارند. 
    • در سیستم DC نیز SPDها بر اساس نقششان (نزدیک پنل خوذشیدی، نزدیک اینورتر، نقاط حساس) تقسیم‌بندی می‌شوند.
  5. مکان نصب مناسب و بررسی مسیر کابل‌ها
    • کابل بین SPD و نقطه زمین یا نقطه مرجع باید کوتاه باشد تا مقاومت و القای مسیر کم شود. 
    • در سیستم DC، باید مکان نصب SPD را نزدیک‌ترین نقطه ممکن به منبع (پنل یا باتری) در نظر گرفت چون مسیر کابل طویل باعث افت و کاهش اثر حفاظتی می‌شود. 
  6. مطابقت با استانداردهای مرتبط
    • در AC، SPDها باید با استاندارد IEC 61643-11 مطابقت داشته باشند. 
    • در سیستم‌های DC، به ویژه در کاربردهای فتوولتائیک (PV)، SPDها باید مطابق IEC 61643-31 باشند.
  7. ارزیابی مخاطره و طراحی حفاظتی چند لایه
    در بسیاری موارد، بهترین روش ترکیبی است:
    • SPD AC در نقطه ورود کل سیستم
    • SPD DC در بخش‌های DC (مثل سامانه D تایپ spd)
    • SPD نوع نقطه‌به‌نقطه برای تجهیزات حساس

اشتباهات رایج در استفاده از سرج ارسترها

در هنگام خرید و استفاده از سرج ارسترها (Surge Protection Devices یا SPD) برای حفاظت از تجهیزات الکتریکی در برابر نوسانات ولتاژ، اشتباهات رایجی وجود دارد که می‌تواند منجر به خرابی زودرس یا عملکرد نامناسب این دستگاه‌ها شود. در ادامه، به بررسی این اشتباهات و راه‌های پیشگیری از آن‌ها می‌پردازیم:

  1. انتخاب نادرست نوع SPD برای سیستم
    استفاده از SPD نامناسب برای نوع سیستم (AC یا DC) می‌تواند منجر به عملکرد نامناسب یا خرابی زودرس شود. برای مثال، استفاده از SPD مخصوص AC در سیستم‌های DC یا بالعکس، به دلیل تفاوت در ویژگی‌های ولتاژ و جریان، توصیه نمی‌شود.
  2. نصب نادرست یا عدم اتصال به زمین مناسب
    عدم اتصال صحیح SPD به سیستم زمین یا نصب نادرست آن می‌تواند کارایی دستگاه را کاهش داده و خطر آسیب به تجهیزات را افزایش دهد.
  3. عدم توجه به ظرفیت جریان گذرا
    انتخاب SPD با ظرفیت جریان گذرا (Imax) پایین‌تر از نیاز سیستم می‌تواند منجر به آسیب به SPD و تجهیزات متصل شود.
  4. استفاده از SPD با ولتاژ نامی (Uc) پایین‌تر از ولتاژ سیستم
    استفاده از SPD با ولتاژ نامی پایین‌تر از ولتاژ سیستم می‌تواند باعث خرابی SPD و عدم حفاظت مناسب شود.
  5. عدم بررسی وضعیت SPD پس از وقوع نوسانات ولتاژ
    پس از وقوع نوسانات ولتاژ یا رعد و برق، عدم بررسی وضعیت SPD می‌تواند منجر به ادامه عملکرد نادرست یا آسیب به تجهیزات شود.

راه‌های پیشگیری از خرابی زودرس SPD

  1. انتخاب صحیح نوع SPD: اطمینان حاصل کنید که SPD انتخابی با نوع سیستم (AC یا DC) و مشخصات فنی آن مطابقت داشته باشد.
  2. اتصال به زمین مناسب: اطمینان حاصل کنید که SPD به سیستم زمین با کیفیت و مطابق با استانداردهای مربوطه متصل شده باشد.
  3. بررسی ظرفیت جریان گذرا: SPD را با ظرفیت جریان گذرا مناسب برای سیستم انتخاب کنید تا از آسیب به دستگاه جلوگیری شود.
  4. انتخاب SPD با ولتاژ نامی مناسب: SPD را با ولتاژ نامی بالاتر از ولتاژ سیستم انتخاب کنید تا از عملکرد صحیح آن اطمینان حاصل شود.
  5. بازرسی دوره‌ای SPD: پس از وقوع نوسانات ولتاژ، وضعیت SPD را بررسی کرده و در صورت لزوم آن را تعویض کنید

سوالات متداول در زمینه مقایسه سرج ارستر DC با سرج ارستر AC

  1. معمولاً نه؛ زیرا طراحی داخلی و ویژگی خاموش کردن قوس در SPDهای AC برای شرایط DC مناسب نیست و ممکن است قوس ادامه یابد یا دستگاه آسیب ببیند.
  2. دلیل: در سیستم DC جریان همواره یک‌طرفه است و هیچ نقطه «صفر عبور» وجود ندارد که قوس را بشکند، در حالی که SPD AC به این نقطه وابسته است. 
  • در حالت عادی نه، مگر اینکه SPD صراحتاً برای استفاده همزمان AC و DC طراحی شده باشد.
  • اگر SPD DC روی سیستم AC باشد، ممکن است ولتاژ کلیدزنی یا محدودکنندگی آن مناسب نباشد و کارآیی کاهش یابد.
  1. SPDهای DC باید بتوانند قوس ایجاد شده را قطع کنند یا مهار نمایند، چون در DC قوس ممکن است پایدار شود.
  2. همچنین SPDهای DC معمولاً باید در ولتاژهای بالاتر (برای تطابق با سیستم‌های PV یا باتری) طراحی شوند.
  1. SPD DC معمولاً حساس‌تر به طراحی قوس‌زدایی و مقاومت مدار است، چون هر گونه ضعف در خاموش کردن قوس منجر به آسیب جدی‌تر می‌شود.
  2. SPD AC به دلیل حضور نقطه صفر عبور، در خاموش کردن قوس راحت‌تر عمل می‌کند.
  1. بله، در سیستم‌هایی مثل سیستم‌های خورشیدی که دارای بخش DC و تبدیل به AC هستند، توصیه می‌شود SPD در بخش DC (قبل از اینورتر) و نیز در بخش AC (پس از اینورتر یا ورودی شبکه) نصب شود. 
  2. SPD AC محافظتی برای ولتاژهای گذرای ناشی از شبکه شهری است که ممکن است به خروجی AC سیستم خورشیدی وارد شود.
  1. ولتاژ کاری (Uc) —SPD باید توان تحمل ولتاژ سیستم را داشته باشد.
  2. ولتاژ محدودشده (Up) — ولتاژی که SPD هنگام فعال شدن در ترمینال‌ها باقی می‌گذارد، باید کمتر از تحمل تجهیزات باشد.
  3. جریان تخلیه (In, Imax) — SPD باید توانایی تحمل پالس ولتاژ گذرا سیستم را داشته باشد.
  4. خصوصیات خاموش کردن قوس — SPD DC باید ویژگی‌های قوس‌زدایی قوی‌تری داشته باشد.
  5. سازگاری با استانداردها — SPD باید برای نوع سیستم (AC یا DC) استانداردهای مربوطه را رعایت کرده باشد.
  1. قوس ماندگار و آسیب حرارتی
  2. خرابی زودهنگام SPD
  3. کارایی پایین در محدود کردن ولتاژ گذرا
  4. احتمال آتش‌سوزی در سیستم‌های DC به دلیل جریان ممتد قوس
  • بسیاری از SPDها دارای نشانگر وضعیت (flag، چراغ، رله اعلام خطا) هستند.
  • پس از وقوع رعد و برق یا ولتاژ گذرا قوی، باید SPD را بازبینی کرد تا اگر آسیب دیده است، تعویض شود.