فهم أنظمة الحماية من الصواعق

فهملالبرقصدورانسystems

يؤدي التقدم العلمي إلى تحسين الحماية من الصواعق للمرافق ذات المهام الحرجة

أثبت بنجامين فرانكلين أن المسار الموصل للكهرباء يمكنه توجيه ضربات البرق بأمان من أعلى المبنى إلى الأرض. لقد أثبت نظام الحماية من الصواعق (LPS) فعاليته مرارًا وتكرارًا وتم تحسينه تدريجيًا خلال القرنين الماضيين. للمرافق العادية,فهو يضمن حماية موثوقة وبأسعار معقولة عند تصميمه وتركيبه وفقًا لـ NFPA 780:معيار تركيب أنظمة الحماية من الصواعق.

ومع ذلك، فإن متطلبات الحماية من الصواعق للعديد من الهياكل تتجاوز تلك التي توفرها المحطات الهوائية العادية (التي كانت تسمى سابقًا مانعات الصواعق) والتأريض. وتزايدت نقاط ضعفهم مع سيطرة الأجهزة الإلكترونية الحساسة بشكل متزايد على الوظائف الحيوية بما في ذلك بناء الأمن,التحكم في المناخ,تخزين البيانات ومعالجتها,إضاءة,معدات التصنيع والتجهيز,أجهزة الباب وأنظمة الوصول,أنظمة الرعاية الصحية,وغيرها من الوظائف الحاسمة. في نفس الوقت,ويبدو أن المخاطر آخذة في الارتفاع بسبب حدوث المزيد من الظواهر الجوية المتطرفة المرتبطة بتغير المناخ,حيث يصاحب البرق الأعاصير والأعاصير وكذلك العواصف الرعدية.

البرق يطرح أ خطر كبير على المباني وشاغليها ومحتوياتها. يضرب من 40 إلى 50 مرة في الثانية في جميع أنحاء العالم,لإجمالي ما يقرب من 1.4 مليار ومضات في السنة,مع ما يصل إلى أكثر من 200,000 أمبير من التيار المتدفق دون عوائق تقريبًا بين الشحنات الأيونية في الغلاف الجوي والأرض. كل منطقة في أمريكا الشمالية معرضة للبرق. على المستوى الوطني,يسبب البرق نفس القدر من الضرر الذي تسببه الأعاصير. نطاق هذا الدمار,لكن,في كثير من الأحيان لا يتم التعرف عليه لأن الصواعق الفردية لا تجتذب اهتمام وسائل الإعلام الذي يتم إعطاؤه للكوارث الإقليمية. ومع ذلك، فإن ضربة صاعقة واحدة يمكن أن تكون كارثة بالنسبة لشركة أو مجتمع إذا أدت إلى تعطيل العمليات الحيوية للمهمة.

مطالبات التأمين للمباني المتضررة من الصواعق في الولايات المتحدة. الإجمالي أكثر من 5 مليارات دولار سنويا. هذا الرقم يقلل من التكلفة لأنه يقيس في المقام الأول الحرائق والأضرار الهيكلية ويتجاهل معظم الأضرار التي لحقت بالأجهزة والأنظمة الإلكترونية. كثيرًا ما يُعزى الضرر الناجم عن البرق للأجهزة الإلكترونية إلى أسباب أخرى.

يعتبر,على سبيل المثال,مركز الصدمات من المستوى الأول الذي قام بتركيب مولد احتياطي جديد. فشل المولد بشكل متكرر في الروتين,فحوصات شهرية,وقدم المستشفى مطالبات ضد ضمان الشركة المصنعة. لاحظ أحدهم في النهاية وجود علاقة بين أعطال المعدات والعواصف الرعدية في المنطقة,وتم اكتشاف أن المولد لم يتم دمجه بشكل صحيح في LPS الخاص بالمبنى. منذ العلاج,أبلغ مدير المنشأة أن المولد لم يتعطل مرة أخرى.

حتى لو كانت بوليصة التأمين تدفع ثمن المعدات التالفة,هل سيغطي الأضرار اللاحقة,مثل فقدان الإيرادات أو الفشل في الاستجابة في حالات الطوارئ?لن ترغب في أن تكون ضابط شرطة أو رئيس إطفاء غير قادر على الاستجابة للأضرار المرتبطة بالعاصفة لأن العاصفة ذاتها أدت إلى تدمير نظام الاتصالات الخاص بك.

تقييم المخاطر

أفضل مكان للبدء في فهم احتياجات الحماية من الصواعق في المبنى الخاص بك هو تقييم مخاطر الصواعق في الملحق L من NFPA 780.

يوصي المعيار بالحماية من الصواعق عندما يكون تعرض الهيكل للصواعق أكبر من المخاطر المسموح بها:

•  يتم تحديد مدى الضعف من خلال كثافة وميض البرق (التكرار/المنطقة/السنة بناءً على خرائط خدمة الطقس الوطنية) مع التعديلات بناءً على منطقة الهيكل,ارتفاع,التضاريس,والقرب من الهياكل الطويلة أو الأشجار. 
• تتأثر المخاطر بالتوصيل وقابلية احتراق السقف والنظام الهيكلي,قيمة وقابلية احتراق المبنى,سهولة إجلاء الركاب,موقف المالك تجاه استمرارية العمليات,والمخاطر البيئية,مثل إطلاق المواد الخطرة.

بغض النظر عن الحسابات,توصي NFPA بالنظر بجدية في الحماية من الصواعق في حالة وجود أي من العوامل التالية.

• حشود كبيرة
• ارتفاع وتيرة وميض البرق
• طويل,الهياكل المعزولة
• محتوى متفجر أو قابل للاشتعال
• تراث ثقافي لا يمكن تعويضه
• المتطلبات التنظيمية أو التأمينية
• استمرارية الخدمات الحيوية.

مراقبة البرق

تم تطوير العديد من التطورات الحديثة في مجال السلامة من الصواعق للتطبيقات العسكرية وتطبيقات الإطلاق الفضائي. وهذا أمر مفهوم لأن مرافق الإطلاق,مثل تلك الموجودة في كيب كانافيرال,فلوريدا.,تقع في المناطق ذات النشاط البرقي المكثف. في مرافق الإطلاق هذه,قيمة الأصول مرتفعة,معدات الطيران والطيران حساسة,الصواريخ وهياكل إطلاقها طويلة,وتكون المخاطر هائلة عندما يجلس رواد الفضاء أو غيرهم من الحمولات عالية القيمة فوق حمولة ضخمة,خزانات وقود الصواريخ شديدة التقلب.

وقد تم توضيح ذلك في عام 2011 عندما جلس مكوك الفضاء أتلانتس في مجمع الإطلاق 39A (LC-39A) في مركز كينيدي للفضاء.. قبل يوم واحد من موعد قيام أتلانتس بالرحلة الأخيرة لبرنامج المكوك التابع لناسا,ضرب البرق بالقرب من مجمع الإطلاق,مرتين. كانت الأسئلة الحاسمة للمهندسين والمسؤولين الذين يأملون في الحفاظ على الإطلاق في الموعد المحدد هي::أين بالضبط ضربت الصواعق,وهل كانت قريبة بما يكفي لإتلاف الأنظمة الكهربائية للمكوك?

كان هناك نظامان يراقبان نشاط البرق حول مركز كينيدي للفضاء في ذلك الوقت:نظام مراقبة البرق المحلي من السحابة إلى الأرض (CGLSS),تديرها القوة الجوية رقم 45 سرب الطقس,و نحن. الشبكة الوطنية لكشف الصواعق (الشبكة الوطنية),نظام وطني للكشف عن الصواعق تملكه وتديره شركة Vaisala,شركة خاصة.

أشارت الأنظمة إلى أن أحداث البرق كانت قريبة من LC-39A,حيث كان أتلانتس ينتظر الإطلاق. لكن تحقيقات ناسا السابقة توصلت إلى أن كلا من CGLSS وNLDN قد أنتجا نتائج مشكوك فيها:لقد أبلغوا عن 70٪ إلى 80٪ من ضربات البرق وكانوا عرضة للإبلاغ عن الصواعق في المواقع التي لم تحدث فيها في الواقع.

في الحالات السابقة,كان من الممكن أن تؤدي ضربات البرق بالقرب من منصة الإطلاق إلى تأخير الإطلاق لمدة تصل إلى أسبوع بينما يقوم المهندسون بإعادة اختبار الأنظمة التي يحتمل أن تكون متأثرة. هذه المرة,لكن,استفادت وكالة ناسا من نظام جديد لمراقبة البرق. يستخدم النظام أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا,كاميرات عالية السرعة مصممة لالتقاط الأدلة المرئية لأي صاعقة تضرب المنصة مباشرة أو في المنطقة المجاورة.

وأظهرت صور الكاميرا أن إحدى الغارتين كانت خارج محيط LC-39A بينما أصابت الأخرى خزان مياه. كان لدى مسؤولي ناسا ثقة كافية في النظام الذي لم يتم اختباره نسبيًا للحفاظ على استمرارية إطلاق أتلانتس.

التوفر التجاري

تم تحسين التكنولوجيا المشابهة لنظام المراقبة المعتمد عليه لمراقبة أتلانتس على منصة الإطلاق، وهي الآن متاحة تجاريًا. يستخدم نظام مراقبة البرق البصري سرعة عالية,كاميرات ذات وقت صفري لاكتشاف وتسجيل 100٪ من الضربات داخل منطقة مراقبة محددة. يستخدم النظام قوية,مكونات من فئة الطيران والفضاء يمكن نشرها بسهولة وتعمل بالطاقة الشمسية لتقديم تقارير فورية تسمح بالاستجابات في الوقت المناسب.

حديثاً,كان النظام البصري المبتكر لمراقبة الصواعق حاسماً في الإطلاق الناجح للمركبة في ديسمبر 2016 إعصار النظام العالمي للملاحة عبر الأقمار الصناعية (سيجنس),السماح للعد التنازلي بالاستمرار على الرغم من البرق الشديد في محطة كيب كانافيرال الجوية قبل أيام فقط من النشر المقرر. يحتوي CYGNSS على ثمانية أقمار صناعية صغيرة يمكنها قياس سرعات الرياح فوق محيطات الأرض,زيادة قدرة العلماء على فهم الأعاصير والتنبؤ بها. تم إطلاق CYGNSS في ديسمبر. 15,2016,بواسطة شركة Orbital ATK. باستخدام صاروخ Pegasus XL - وهي مركبة تُطلق من الجو مثبتة أسفل طائرة معدلة من طراز Lockheed L-1011.

قدم نظامان بصريان لمراقبة البرق دقة غير مسبوقة في تحديد مكان حدوث البرق. قام المهندسون على الفور بمراجعة البيانات التي تم جمعها وقدموا أدلة قاطعة على أن الطائرة والصاروخ لم يتعرضا لتأثيرات مرتبطة بالبرق من شأنها أن تعرض المهمة للخطر.

التعليق على الصورة التي التقطها النظام,وقال شون بوتر من ناسا,"على الرغم من أن الصورة تعطي مظهر البرق وهو يضرب مباشرة الطائرة الحاملة L-1011 التابعة لشركة Orbital ATK,وقعت الغارة على بعد حوالي 2.5 ميل من موقع الطائرة بجانب مدرج محطة كيب كانافيرال الجوية.. كانت الطائرة وصاروخ Pegasus XL محاطين بنظام حماية من الصواعق العلوي مصمم لحمايتهم في حالة وقوع ضربة بالفعل في المنطقة المجاورة مباشرة;يمكن رؤية الصواري الثلاثة لـ LPS بالقرب من مقدمة الطائرة ومؤخرتها.

لزيادة LPS,قال بوتر,"تم تصميم نظام المراقبة لبرنامج خدمات الإطلاق التابع لناسا لتوثيق وتقييم الآثار الضارة المحتملة لضربات البرق. قدم نظام مراقبة البرق بيانات دقيقة وفي الوقت المناسب مما سمح بمواصلة العد التنازلي لـ Pegasus XL على الرغم من العديد من ضربات البرق من السحابة إلى الأرض المسجلة في ذلك اليوم. وقال أيضا أن المقاول,"قدم دعمًا رائعًا وكان قادرًا على تقديم المعلومات بسرعة والتي كانت مفيدة في تخفيف المخاوف والمضي قدمًا في عملية الإطلاق."

أثبت نظام مراقبة الصواعق البصري أنه لا يقدر بثمن بالنسبة للصناعات الأخرى. في صناعة طاقة الرياح,على سبيل المثال,يمكن لشفرة مولد الرياح المتضررة من البرق أن تؤدي إلى اختلال توازن التوربين,مما قد يتسبب في انهيار البرج بأكمله. من خلال مراقبة مزرعة الرياح بأكملها,يمكن للمشغل أن يحدد بسرعة ما إذا كانت توربينة رياح معينة قد تعرضت للضرب حتى يمكن إغلاقها بأمان للصيانة، وربما تجنب حدوث فشل كارثي.

في صناعة التأمين,تسمح المراقبة الدقيقة للصواعق لأصحاب العقارات بتوثيق الادعاءات بأن الضرر ناتج عن البرق وليس عن عطل ميكانيكي. بصورة مماثلة,يمكن لشركات التأمين الحماية من المطالبات الاحتيالية. ويستفيد كلا الطرفين من عدم الاضطرار إلى إرسال محققين إلى الميدان للقيام بأعمال الطب الشرعي المكلفة.

تعد المساحة الأفقية للمنشأة عاملاً مهمًا في تحديد قابلية التعرض للصواعق. وهذا يجعل نظام المراقبة البصرية ذو قيمة خاصة للمؤسسات التي تقدم الخدمات عبر المناطق التي تحتوي على العديد من الأصول ذات القيمة العالية,مثل المطار والموانئ,المنشآت العسكرية,مواقع البناء,مرافق توليد الطاقة,والمجمعات ذات الهياكل المتعددة المعرضة للصواعق.

أثار البرق

تُستخدم الصواريخ أيضًا لتوجيه البرق إلى الأرض لبرامج البحث والاختبار,باستخدام نسخة حديثة من تجربة الطائرة الورقية الشهيرة لفرانكلين. في المركز الدولي لأبحاث واختبارات البرق التابع لجامعة فلوريدا (ICLRT) في كامب بلاندينج,يتم إطلاق صواريخ صغيرة باتجاه السحب الرعدية. تتبع الصواريخ سلكًا رفيعًا يوفر مسارًا موصلًا لتيارات البرق الفعلية لتتبعها على الأرض حيث يمكن إجراء الاختبارات. يوفر البرق المُثار ظروف اختبار أكثر واقعية بكثير مما يمكن تحقيقه باستخدام أكبر مولدات الشرر في المختبرات. تحاكي مولدات الشرارة المعملية إما الجهد العالي أو التيار العالي الموجود أثناء تفريغ البرق,لكنها تفشل في إعادة إنتاج الكميتين في وقت واحد,كما تحدث في البرق الحقيقي.

يمكن حقن هذه التيارات البرقية الحقيقية مباشرة في مواقع محددة في مادة اختبار معينة. يمكن أيضًا أن تتعرض مقالات الاختبار للتأثيرات الكهرومغناطيسية غير المباشرة للبرق,مع التحكم بدقة في المسافة بين مادة الاختبار والبرق. تم تجهيز ICLRT بهوائيات المجال الكهربائي والمغناطيسي,أجهزة كشف الأشعة السينية وأشعة جاما,أنظمة عالية التردد وعالية التردد للغاية,وأنظمة القياس البصري لكشف وتسجيل جميع جوانب البرق الناتج وتفاعله مع مادة الاختبار.  

من خلال شراكة بحثية مع الصناعة الخاصة,ICLRT متاح الآن للاختبار التجاري. يتم استخدامه لاختبار العناصر التي تتراوح في الحجم من المكونات الإلكترونية الفردية إلى الأنظمة المتكاملة كاملة الحجم وتجميعات البناء التي يجب أن تتحمل أسوأ ما يمكن أن ترسله الطبيعة في طريقها. الشركات المصنعة في مجال الطيران والفضاء,الاتصالات,أجهزة الكمبيوتر والالكترونيات,جيش,توليد الطاقة ونقلها,ويمكن للصناعات الحيوية الأخرى استخدام المختبر لاختبار الأجهزة,أنظمة التحكم,بروتوكولات السلامة,وخطط الحماية من الصواعق المبتكرة.

المخاوف المعمارية

العديد من المباني ذات المهام الحرجة - مراكز الشرطة والإطفاء,على سبيل المثال – أن يكون لديك وجه عام يتطلب حساسية تجاه الجماليات المعمارية. عادةً ما يمكن تركيب كابلات الموصلات داخل المبنى أو جدرانه;يمكن محاذاة الكابلات المكشوفة مع خطوط المبنى لتقليل أي مظهر قبيح.

غالبًا ما تكون المحطات الهوائية المثبتة على سطح المبنى 10 بوصات فقط. طويل القامة و 3/8 إلى 5/8 بوصة. في القطر. عادة ما يكون لها تأثير طفيف على مظهر المبنى. في الحالات التي يكون فيها المظهر أكثر أهمية,يمكن استبدال أطراف الهواء بعناصر هيكلية لا يقل سمكها عن 3/16 بوصة من المعدن المستمر كهربائيًا.

لقد أثبتت "أجهزة إنهاء الإضراب" هذه شعبيتها عند تركيبها كسور حول شرفات الأسطح حيث قد يكون الجمهور على اتصال وثيق مع LPS. بالإضافة إلى توفير المزيد من الحرية المعمارية,تلبي أجهزة إنهاء الإضراب أيضًا المتطلبات الوظيفية. على سبيل المثال,يمكن توصيل الإطار الفولاذي الموجود على منصة هبوط طائرات الهليكوبتر المرتفعة بشبكة سقف نظام الحماية من الصواعق لتجنب الحاجة إلى محطات هوائية بارزة.

يمكن أيضًا دمج LPS في المصفوفات الشمسية الموجودة على الأسطح وغيرها من ميزات التصميم المستدام. في مطار أوهير الدولي في شيكاغو,على سبيل المثال,يستخدم المبنى الذي يضم معدات الاتصالات ومعالجة البيانات التابعة لإدارة الطيران الفيدرالية (FAA) سقفًا أخضر مغطى بالأرض لتلبية الإرشادات البيئية للمطار. نظرًا للطبيعة الحرجة لخدمات إدارة الطيران الفيدرالية (FAA).,تتجاوز إرشادات الحماية من الصواعق الخاصة بالوكالة معايير NFPA.

الشهادات

يجب أن يتم تصميم وتركيب LPSs من قبل شركات متخصصة توظف أفرادًا تشمل مؤهلاتهم شهادة معهد الحماية من الصواعق. يجب على مالكي الهياكل الهامة أيضًا أن يطلبوا شهادة طرف ثالث من قبل برنامج التفتيش معهد الحماية من الصواعق (LPI-IP) أو برنامج UL Master Label.

بغض النظر عن العناية التي تتم في تصميم وتركيب LPSs,يتعين على مديري المرافق أن يظلوا متيقظين لأي شيء يمكن أن يعطل فعالية النظام. على سبيل المثال:

• undefined,undefined,undefined
• undefined,undefined,undefined,undefined
• undefined
• undefined

undefined. undefined,undefined. undefined,undefined,undefined,undefined,undefined,undefined

undefined

undefined. undefined,undefined

undefined. undefined,undefined,undefined

undefined. undefined,undefined,undefined. undefined

undefined. undefined,undefined. undefined. undefined

undefined,undefined

undefined,undefined,undefined. undefined;undefined. undefined,undefined

undefined,undefined. undefined,undefined,undefined. undefined,undefined

undefined. undefined,undefined