کاربرد بیمتال مس/آلومینیوم (کوپال) در حفاظت برابر صاعقه
(Lightning Protection)
مشکلی که باید حل کنید
یک سیستم حفاظت در برابر صاعقه ماهیتاً سامانه‌ای سه‌فلزی است: رینگ ارت مسی در زیر زمین، هادی‌های نزولی آلومینیومی روی نما و بست‌های فولادی گالوانیزه یا استنلس‌استیل روی سازه. پتانسیل گالوانیکی بین آلومینیوم و مس حدود ۰.۹ ولت است؛ عاملی شیمیایی که در هر محیط مرطوبی باعث خوردگی مشهود می‌شود. اغلب طراحان بر قوانین هندسی استاندارد EN 62305 (فاصله‌گذاری هادی‌های نزولی و سطح مقطع هادی) تمرکز دارند، اما توجه کمتری به این نکته می‌شود که هر قطعه باید در آزمون ضربه استاندارد EN 62561 — موج ضربه ۱۰/۳۵۰ میکروثانیه در جریان پیک تراز حفاظت صاعقه (LPL) — دوام بیاورد. اتصال پیچ‌و‌مهره‌ای متکی به خمیر آنتی‌اکسیدانت، پس از چند سال با ایجاد لکه‌های مشهود خوردگی روی نما نشان می‌دهد که از محدوده استاندارد خارج شده است. در زمان وقوع صاعقه نیز بالاترین چگالی جریان دقیقاً روی نقطه‌ای وارد می‌شود که اتصال پیش‌تر در آن تضعیف شده است.
در یک نگاه
در سیستم حفاظت صاعقه، هادی نزولی آلومینیومی به سیستم ارت مسی متصل می‌شود؛ تسمه یا قطعه واسط کوپال این اتصال Al/Cu را بدون ایجاد خوردگی گالوانیکی حل می‌کند و به عنوان قطعه‌ای تست‌شده مطابق با استاندارد EN 62561-2 (موج ضربه ۱۰/۳۵۰ میکروثانیه)، با استاندارد EN 62305-3 سازگار است.
- جریان پیک تراز LPL I (موج ۱۰/۳۵۰ میکروثانیه): 200kA
- جریان پیک تراز LPL III: صد 100 کیلو آمپر
- اختلاف پتانسیل گالوانیکی مس و آلومینیوم: ~0.9V
- استاندارد تست اجزا: EN 62561-2
کوپال چگونه مشکل را حل می‌کند؟
تسمه و قطعات واسط کوپال پیل گالوانیکی Al/Cu را در محل اتصال حذف می‌کنند. سمت آلومینیومی به هادی نزولی متصل می‌شود و سمت مسی به شبکه ارت — یک قطعه واحد شامل دو فلز متصل‌شده با جوش نفوذی؛ بدون نیاز به خمیر و بدون نیاز به آچارکشی سالانه. این قطعات در ابعادی عرضه می‌شوند که آزمون قطعات استاندارد EN 62561-2 (جریان ضربه ۱۰/۳۵۰ میکروثانیه در جریان پیک LPL) را پاس می‌کنند؛ پیوند متالورژیکی باعث توزیع انرژی ضربه روی کل سطح تماس می‌شود، به جای اینکه جریان در اطراف سوراخ پیچ متمرکز گردد. در بخش طراحی، ابعاد طبق استاندارد EN 62305-1/-3 و VDE 0185-305-3 تعیین می‌شود و در بخش قطعات، استاندارد EN 62561-1/-2 تضمین می‌کند که اتصال جریان صاعقه را هدایت خواهد کرد.
۴ محل متداول اتصالات Al/Cu در سیستم صاعقه‌گیر
۰۱ / ۰۴: هادی نزولی آلومینیومی روی بام به رینگ ارت مسی
مشکل: هادی نزولی آلومینیومی از نما پایین آمده و در سطح زمین به رینگ ارت مسی متصل می‌شود. اتصال پیچ‌و‌مهره‌ای در معرض شرایط جوی قرار دارد؛ خوردگی حاصل طی ۴ تا ۸ سال لکه‌های واضحی روی نما بر جای گذاشته و مقاومت سیستم ارت را افزایش می‌دهد.
راهکار کوپال: قرارگیری پلیت واسط یا تسمه کوپال میان هادی نزولی و رینگ ارت؛ وجه آلومینیومی متصل به هادی نزولی و وجه مسی متصل به رینگ ارت، با هندسه آزمون‌شده تحت استاندارد EN 62561-2.
۰۲ / ۰۴: تابلو آلومینیومی دکل‌های مخابراتی / انتقال نیرو به شبکه ارت مسی
مشکل: تابلو تجهیزات آلومینیومی روی دکل مشبک به شبکه ارت مسی دکل متصل می‌شود. چرخه‌های حرارتی به همراه ضربه‌های مداوم تراز LPL II (حدود ۱۵۰ کیلوآمپر) موجب خستگی اتصال پیچ‌و‌مهره‌ای شده و امپدانس اتصال در طول زمان افزایش می‌یابد.
راهکار کوپال: نصب قطعه هم‌بندی کوپال میان تابلو و شبکه ارت. فصل مشترک نفوذی تنش‌های حرارتی و مکانیکی را جذب کرده و اتصال پیچ‌و‌مهره‌ای دچار شل‌شدگی مجدد نمی‌شود.
۰۳ / ۰۴: هم‌بندی هم‌پتانسیل آرایه‌های فتوولتائیک (خورشیدی) روی بام
مشکل: فریم نصب آلومینیومی، هادی ارت حفاظتی مسی (حداقل ۶ میلی‌متر مربع طبق راهنمای EN 62305-5) و بست‌های فولادی همگی روی یک پشت‌بام قرار دارند. خطای سمت DC می‌تواند جریان صاعقه یا خطای بالا را به مسیر هم‌بندی هدایت کند.
راهکار کوپال: استفاده از واشر یا تسمه کوپال در اتصال پیچ‌و‌مهره‌ای فریم به سیم ارت حفاظتی (PE). گشتاور پیچ لایه اکسید آلومینیوم اولیه را می‌شکند، پیوند متالورژیکی اتصال را در داخل حفظ می‌کند و امکان تشکیل اکسید جدید وجود نخواهد داشت.
۰۴ / ۰۴: هادی‌های نزولی دودکش‌های صنعتی / دکل‌های بلند به زمین
مشکل: در سازه‌های مرتفع از چندین هادی نزولی آلومینیومی موازی استفاده می‌شود؛ یک برخورد صاعقه تراز LPL II میان هادی‌ها تقسیم می‌شود (حدود ۳۳ کیلوآمپر به ازای هر هادی). هر اتصال پیچ‌و‌مهره‌ای Al/Cu افت ولتاژ ایجاد می‌کند؛ در یک مجموعه شامل ۶ اتصال، افت ولتاژ متوالی به حد ولتاژ گام خطرناک نزدیک می‌شود.
راهکار کوپال: قرارگیری پلیت واسط کوپال روی هر هادی نزولی در نقطه اتصال به شبکه ارت. مقاومت تماسی پایین و پایدار، افت ولتاژ متوالی ناشی از عبور صاعقه را کاملاً درون بازه مجاز حفظ می‌کند.
مقایسه با روش‌های جایگزین
روش: اتصال پیچ‌و‌مهره‌ای مس/آلومینیوم همراه با خمیر آنتی‌اکسیدانت
مقاومت اتصال اولیه: قابل قبول، اما به سرعت افت می‌کند
دوره بازرسی EN 62305: بازرسی چشمی و آزمون مقاومت سالانه
هزینه کل مالکیت (TCO) بیست‌ساله: بالا (به دلیل هزینه‌های مداوم بازرسی و اصلاح)
—
روش: استفاده از قطعات واسط استنلس‌استیل
مقاومت اتصال اولیه: پایدارتر، اما فصل مشترک Al/Cu همچنان باقی است
دوره بازرسی EN 62305: بازرسی سالانه توصیه می‌شود
زمان تأمین: موجود در انبار
هزینه کل مالکیت (TCO) بیست‌ساله: متوسط
—
روش: قطعه واسط بیمتال کوپال (آزمون‌شده طبق EN 62561-2)
مقاومت اتصال اولیه: کاملاً پایدار
دوره بازرسی EN 62305: قابل تمدید طبق پیوست G استاندارد EN 62305-3
هزینه کل مالکیت (TCO) بیست‌ساله: اقتصادی و پایین
استانداردهای مرجع این بخش
- EN 62305 (قسمت‌های ۱ تا ۵) / ISIRI-IEC 62305: حفاظت در برابر صاعقه (اصول کلی، مدیریت ریسک، آسیب به سازه‌ها و سیستم‌های الکتریکی)
- EN 62561-1 و EN 62561-2: الزامات اجزای سیستم حفاظت در برابر صاعقه (اتصالات و هادی‌ها)
- ISIRI 3084: هادی‌های کابل‌های الکتریکی (معادل IEC 60228)
- VDE 0185-305: راهنمای طراحی و اجرای سیستم‌های حفاظت در برابر صاعقه