مانعة الصواعق

في ما أصبح لاحقًا الولايات المتحدة ، ابتكر بنجامين فرانكلين في عام 1749 موصلًا مدببًا لقضيب الصواعق (غير مؤرض)، يُعرف أيضًا باسم جاذب الصواعق أو قضيب فرانكلين ، كجزء من استكشافه الرائد للكهرباء . ^{[ 3 ]} مع أنه لم يكن أول من أشار إلى وجود علاقة بين الكهرباء والبرق، إلا أن فرانكلين كان أول من اقترح نظامًا عمليًا لاختبار فرضيته. ^{[ 4 ]} تكهن فرانكلين بأنه باستخدام قضيب حديدي مدبب، "سيتم سحب الشرارة الكهربائية، على ما أعتقد، من السحابة بصمت، قبل أن تقترب بما يكفي لضرب البرق". وقد ظل فرانكلين يُجري تكهناته حول قضبان الصواعق لعدة سنوات قبل تجربته الشهيرة بالطائرة الورقية . ^{[ 5 ]}

في القرن التاسع عشر، أصبح مانع الصواعق عنصرًا زخرفيًا. وكانت تُزيّن بكرات زجاجية مزخرفة ^{[ 6 ]} (تُعتبر اليوم من المقتنيات الثمينة). وقد استُخدمت هذه الكرات الزجاجية في صناعة دوّارات الرياح نظرًا لجمالها الزخرفي . إلا أن الغرض الأساسي من هذه الكرات هو إثبات وقوع صاعقة من خلال تحطمها أو سقوطها. فإذا تبيّن بعد العاصفة أن إحدى الكرات مفقودة أو مكسورة، فعلى مالك العقار فحص المبنى والمانع وسلك التأريض بحثًا عن أي تلف.

استُخدمت كرات من الزجاج الصلب أحيانًا في طريقة زُعم أنها تمنع الصواعق من ضرب السفن والأجسام الأخرى. وتقوم الفكرة على أن الأجسام الزجاجية، لكونها غير موصلة للكهرباء، نادرًا ما تُصاب بالصواعق. لذا، وفقًا لهذه النظرية، لا بد أن يكون للزجاج خاصية طاردة للصواعق. ومن هنا، كانت أفضل طريقة لمنع الصواعق من ضرب سفينة خشبية هي دفن كرة زجاجية صلبة صغيرة في قمة أعلى سارية. وقد ضمن السلوك العشوائي للصواعق، بالإضافة إلى تحيز التأكيد لدى المراقبين ، أن تحظى هذه الطريقة بمصداقية كبيرة حتى بعد تطوير مانعة الصواعق البحرية بعد فترة وجيزة من عمل فرانكلين الأولي.

كان من المفترض رفع أولى مانعات الصواعق على السفن عند توقع حدوثها، إلا أن نسبة نجاحها كانت منخفضة. في عام 1820، اخترع ويليام سنو هاريس نظامًا ناجحًا لتوفير الحماية من الصواعق للسفن الشراعية الخشبية آنذاك، ولكن على الرغم من التجارب الناجحة التي بدأت عام 1830، لم تعتمد البحرية الملكية البريطانية النظام حتى عام 1842 ^{[ 7 ]} ، وكان ذلك بعد أن اعتمدته البحرية الإمبراطورية الروسية بالفعل.

في تسعينيات القرن الماضي، أُعيد تصميم نقاط الحماية من الصواعق كما كانت عليه في الأصل عند ترميم تمثال الحرية أعلى مبنى الكابيتول الأمريكي في واشنطن العاصمة . ^{[ 2 ]} صُمم التمثال بأجهزة متعددة مطلية بالبلاتين. كما زُوّد نصب واشنطن التذكاري بنقاط حماية متعددة من الصواعق، ^{[ 8 ]} أما تمثال الحرية في ميناء نيويورك، فيتعرض للصواعق التي تُحوّل إلى الأرض.

تتوج قمة برج نيفيانسك المائل بقضيب معدني على شكل كرة مذهبة ذات مسامير، ويعمل كقضيب مانع للصواعق. ^{[ 14 ]} يتم تأريض هذا القضيب من خلال هيكل حديد التسليح الذي يخترق المبنى بأكمله.

بُني برج نيفيانسك بين عامي 1721 و1745، بأمر من الصناعي أكينفي ديميدوف . وقد شُيّد البرج قبل 28 عامًا من تجربة بنجامين فرانكلين وتفسيره العلمي. ^{[ 15 ]} ومع ذلك، لا يزال الهدف الحقيقي من وراء السقف المعدني وقضبان التسليح مجهولًا. ^{[ 16 ]}

كان برج الكنيسة في العديد من المدن الأوروبية، والذي كان عادةً أعلى مبنى في المدينة، عرضةً للصواعق. وقد نصح بيتر أهلواردتس (في كتابه "اعتبارات معقولة ولاهوتية حول الرعد والبرق"، 1745) الأفراد الذين يبحثون عن مأوى من الصواعق بالذهاب إلى أي مكان باستثناء داخل الكنيسة أو حولها. ^{[ 17 ]}

يدور جدل مستمر حول ما إذا كانت "الآلة الأرصادية"، التي اخترعها الكاهن بريمونستراتنسي بروكوب ديفيش ، ونُصبت في برينديتز (بريميتيتسه حاليًا، وهي جزء من زنويمو )، مورافيا ( جمهورية التشيك حاليًا ) في يونيو 1754، تُعتبر اختراعًا فرديًا لمانعة الصواعق. كان جهاز ديفيش، وفقًا لنظرياته الخاصة، يهدف إلى منع العواصف الرعدية تمامًا عن طريق حرمان الهواء باستمرار من الكهرباء الزائدة. ومع ذلك، كان الجهاز مثبتًا على عمود قائم بذاته، وربما كان تأريضه أفضل من موانع الصواعق التي صنعها فرانكلين في ذلك الوقت، لذا فقد أدى غرض مانعة الصواعق. ^{[ 18 ]} بعد احتجاجات محلية، اضطر ديفيش إلى التوقف عن تجاربه الجوية حوالي عام 1760.

مانع الصواعق هو جهاز، عبارة عن فجوة هوائية بين سلك كهربائي والأرض، يُستخدم في أنظمة الطاقة الكهربائية وأنظمة الاتصالات لحماية العازل والموصلات من الآثار الضارة للصواعق. يتكون مانع الصواعق النموذجي من طرف للجهد العالي وطرف للأرض.

في مجال التلغراف والهاتف ، يُستخدم مانع الصواعق كجهاز يُوضع عند مداخل الأسلاك إلى المباني، وذلك لحماية الأجهزة الإلكترونية داخلها وضمان سلامة الأفراد بالقرب منها. أما النسخ الأصغر من مانعات الصواعق، والتي تُسمى أيضًا واقيات التيار الزائد ، فهي أجهزة تُوصل بين كل موصل كهربائي في نظام الطاقة أو الاتصالات والأرض. وتساعد هذه الأجهزة على منع تدفق تيارات الطاقة أو الإشارة العادية إلى الأرض، بينما تُوفر مسارًا لتدفق تيار الصواعق عالي الجهد، متجاوزًا بذلك المعدات المتصلة. وتُستخدم مانعات الصواعق للحد من ارتفاع الجهد عند تعرض خط اتصالات أو طاقة لصاعقة أو عند اقترابه من منطقة الصواعق.

في أنظمة نقل الطاقة الكهربائية العلوية ، قد يتم تركيب سلك أو سلكين أرضيين خفيفين أعلى الأبراج أو الأعمدة أو الأبراج غير المستخدمة تحديدًا لنقل الكهرباء عبر الشبكة. هذه الموصلات، التي يُشار إليها غالبًا باسم الأسلاك "الثابتة" أو "التوجيهية" أو "الواقية"، مصممة لتكون نقطة توقف الصواعق بدلًا من خطوط الجهد العالي نفسها. وتهدف هذه الموصلات إلى حماية موصلات الطاقة الرئيسية من الصواعق .

تُوصَّل هذه الموصلات بالأرض إما عبر الهيكل المعدني للعمود أو البرج، أو بواسطة أقطاب تأريض إضافية مُثبَّتة على فترات منتظمة على طول الخط. وكقاعدة عامة، لا تحتوي خطوط نقل الطاقة الهوائية ذات الجهد الأقل من 50 كيلوفولت على موصل "ثابت"، بينما تحتوي معظم الخطوط التي تحمل جهدًا أعلى من 50 كيلوفولت على هذا الموصل. وقد يدعم كابل موصل التأريض أيضًا كابلات الألياف الضوئية لنقل البيانات.

قد تستخدم الخطوط القديمة مانعات الصواعق التي تعزل الخطوط الموصلة عن التلامس المباشر مع الأرض، ويمكن استخدامها كخطوط اتصالات منخفضة الجهد. إذا تجاوز الجهد عتبة معينة، كما يحدث أثناء صاعقة تقطع الموصل، فإنه "يقفز" عبر العوازل وينتقل إلى الأرض.

تتنوع وسائل حماية المحطات الفرعية الكهربائية بتنوع مانعات الصواعق نفسها، وغالباً ما تكون ملكية خاصة بشركة الكهرباء.

قد تُعزل مشعات أعمدة الراديو عن الأرض بفجوة شرارة عند قاعدتها. عندما تضرب الصاعقة العمود، تنتقل الشحنة عبر هذه الفجوة. تحدّ محاثة صغيرة في خط التغذية بين العمود ووحدة الضبط (عادةً ملف واحد) من ارتفاع الجهد، مما يحمي جهاز الإرسال من الفولتيات العالية الخطيرة. يجب أن يكون جهاز الإرسال مزودًا بجهاز لمراقبة الخصائص الكهربائية للهوائي. هذا أمر بالغ الأهمية، إذ قد تبقى شحنة كهربائية بعد ضربة الصاعقة، مما قد يُلحق الضرر بالفجوة أو العوازل.

يقوم جهاز المراقبة بإيقاف تشغيل جهاز الإرسال عندما يُظهر الهوائي سلوكًا غير طبيعي، كأن يكون ذلك نتيجة لشحنة كهربائية غير مرغوب فيها. عند إيقاف تشغيل جهاز الإرسال، تتلاشى هذه الشحنات. يحاول جهاز المراقبة إعادة تشغيله عدة مرات. إذا استمر الهوائي في إظهار سلوك غير طبيعي بعد عدة محاولات، ربما نتيجة لتلف هيكلي، يبقى جهاز الإرسال متوقفًا عن التشغيل.

من الناحية المثالية، ينبغي أن يكون الجزء المدفون من نظام التأريض في منطقة ذات موصلية أرضية عالية. إذا كان الكابل المدفون مقاومًا للتآكل بشكل جيد، فيمكن تغطيته بالملح لتحسين توصيله الكهربائي بالأرض. في حين أن المقاومة الكهربائية لمانع الصواعق بين طرفه الهوائي والأرض تُعدّ مصدر قلق كبير، إلا أن المفاعلة الحثية للموصل قد تكون أكثر أهمية. لهذا السبب، يُحرص على أن يكون مسار الموصل الهابط قصيرًا، وأن تكون أي انحناءات ذات نصف قطر كبير. إذا لم تُتخذ هذه التدابير، فقد يتشكل قوس كهربائي فوق عائق مقاوم أو تفاعلي يصادفه في الموصل. على أقل تقدير، سيتسبب تيار القوس الكهربائي في تلف مانع الصواعق، ويمكنه بسهولة إيجاد مسار موصل آخر، مثل أسلاك المبنى أو أنابيب المياه، مما قد يتسبب في حرائق أو كوارث أخرى. مع ذلك، تظل أنظمة التأريض التي لا تتمتع بمقاومة أرضية منخفضة فعالة في حماية المباني من أضرار الصواعق. عندما تكون التربة ضعيفة التوصيل، أو ضحلة جدًا، أو معدومة، يمكن تعزيز نظام التأريض بإضافة قضبان تأريض، أو موصل تأريض حلقي، أو كابلات شعاعية ممتدة بعيدًا عن المبنى، أو يمكن استخدام قضبان التسليح الخرسانية للمبنى كموصل تأريض ( تأريض أوفر ). هذه الإضافات، وإن لم تُقلل مقاومة النظام في بعض الحالات، تسمح بتشتيت الصاعقة في الأرض دون إلحاق الضرر بالمنشأة. ^{[ 20 ]}

يجب اتخاذ احتياطات إضافية لمنع حدوث شرارات جانبية بين الأجسام الموصلة الموجودة على أو داخل المبنى ونظام الحماية من الصواعق. يؤدي تدفق تيار الصاعقة عبر موصل الحماية من الصواعق إلى توليد فرق جهد بينه وبين أي أجسام موصلة قريبة منه. قد يكون فرق الجهد هذا كبيرًا بما يكفي لإحداث شرارة جانبية خطيرة بينهما، مما قد يتسبب في أضرار جسيمة، خاصةً في المباني التي تحتوي على مواد قابلة للاشتعال أو الانفجار. الطريقة الأكثر فعالية لمنع هذا الضرر المحتمل هي ضمان استمرارية التيار الكهربائي بين نظام الحماية من الصواعق وأي أجسام معرضة للشرارات الجانبية. يسمح التوصيل الفعال بارتفاع وانخفاض جهد الجسمين في آنٍ واحد، مما يزيل أي خطر لحدوث شرارة جانبية. ^{[ 21 ]}

تُستخدم كميات كبيرة من المواد في تصنيع أنظمة الحماية من الصواعق، لذا من الحكمة التفكير مليًا في المكان الذي يوفر فيه مانع الصواعق الهوائي أقصى حماية. كان الفهم التاريخي للصواعق، استنادًا إلى تصريحات بنجامين فرانكلين، يفترض أن كل مانع صواعق يحمي مخروطًا بزاوية 45 درجة. ^{[ 22 ]} وقد تبيّن أن هذا غير كافٍ لحماية المباني الشاهقة، إذ من الممكن أن تضرب الصواعق جانب المبنى.

طوّر الدكتور تيبور هورفاث نظام نمذجة يعتمد على فهم أفضل لكيفية استهداف البرق للأرض، ويُسمى طريقة الكرة المتدحرجة. وقد أصبح هذا النظام المعيار المعتمد لتركيب أنظمة قضبان فرانكلين التقليدية. يتطلب فهم هذه الطريقة معرفة كيفية "تحرك" البرق. فعندما تقفز مقدمة البرق نحو الأرض، فإنها تتجه نحو الأجسام المؤرضة الأقرب إلى مسارها. تُسمى أقصى مسافة يمكن أن تقطعها كل خطوة بالمسافة الحرجة ، وهي تتناسب طرديًا مع شدة التيار الكهربائي. من المرجح أن تُصاب الأجسام بالبرق إذا كانت أقرب إلى مقدمة البرق من هذه المسافة الحرجة. ومن الممارسات الشائعة تقريب نصف قطر الكرة بـ 46  مترًا بالقرب من الأرض. ^{[ 23 ]}

من غير المرجح أن يصيب البرق جسمًا خارج المسافة الحرجة إذا كان هناك جسم ثابت على الأرض ضمن هذه المسافة. يمكن تحديد المواقع الآمنة من البرق بتخيل مسارات البرق المحتملة ككرة تتحرك من السحابة إلى الأرض. وللحماية من البرق، يكفي النظر في جميع مسارات الكرة المحتملة عند ملامستها لنقاط الضرب المحتملة. لتحديد نقاط الضرب، تخيل كرة تتدحرج على الأرض. عند كل نقطة، يتم محاكاة موقع محتمل للبرق. من المرجح أن يضرب البرق المكان الذي تلامس فيه الكرة الأرض. النقاط التي لا تستطيع الكرة التدحرج عليها ولمسها هي الأكثر أمانًا من البرق. يجب وضع واقيات البرق في أماكن تمنع الكرة من ملامسة أي مبنى. مع ذلك، تكمن نقطة ضعف معظم أنظمة تحويل البرق في نقل الشحنة الكهربائية الملتقطة من مانعة الصواعق إلى الأرض. ^{[ 24 ]} تُركّب مانعات الصواعق عادةً حول محيط الأسطح المستوية، أو على طول قمم الأسطح المائلة على مسافات 6.1 متر أو 7.6 متر، حسب ارتفاع المانعة. ^{[ 25 ]} عندما تتجاوز أبعاد السطح المسطح 15  مترًا × 15  مترًا، يتم تركيب فتحات تهوية إضافية في منتصف السطح على مسافات  لا تتجاوز 15 مترًا بنمط شبكي مستطيل. ^{[ 26 ]}

كان الشكل الأمثل لطرف مانعة الصواعق موضع جدل منذ القرن الثامن عشر. خلال فترة المواجهة السياسية بين بريطانيا ومستعمراتها الأمريكية، رأى العلماء البريطانيون أن مانعة الصواعق يجب أن يكون طرفها كرويًا، بينما رأى العلماء الأمريكيون أن يكون طرفها مدببًا. اعتبارًا من عام 2003لم يُحسم الجدل بشكل كامل. ^{[ 27 ]} يصعب حسم هذا الجدل لأن إجراء تجارب مضبوطة بشكل صحيح يكاد يكون مستحيلاً، لكن العمل الذي أجراه تشارلز ب. مور وآخرون ^{[ 28 ]} عام 2000 قد ألقى بعض الضوء على هذه المسألة، حيث وجدوا أن مانعات الصواعق ذات الرؤوس المستديرة أو غير الحادة تعمل كمستقبلات أفضل قليلاً للصواعق. ونتيجة لذلك، تُركّب مانعات الصواعق ذات الرؤوس المستديرة في معظم الأنظمة الجديدة في الولايات المتحدة، على الرغم من أن معظم الأنظمة القائمة لا تزال تستخدم مانعات الصواعق ذات الرؤوس المدببة. ووفقًا للدراسة،

تُظهر حسابات القوة النسبية للحقول الكهربائية فوق قضبان حادة وغير حادة متماثلة في تعرضها للضوء، أنه بينما تكون الحقول أقوى بكثير عند طرف القضيب الحاد قبل أي انبعاثات، فإنها تتناقص بسرعة أكبر مع المسافة. ونتيجة لذلك، على بُعد بضعة سنتيمترات فوق طرف قضيب غير حاد قطره 20 مم، تكون قوة المجال أكبر منها فوق قضيب حاد مماثل له في جميع النواحي الأخرى، وله نفس الارتفاع. ولأن قوة المجال عند طرف القضيب الحاد تميل إلى أن تكون محدودة بسهولة تكوّن الأيونات في الهواء المحيط، فإن قوة المجال فوق القضبان غير الحادة قد تكون أقوى بكثير من تلك الموجودة على مسافات أكبر من 1  سم فوق القضبان الحادة. تشير نتائج هذه الدراسة إلى أن القضبان المعدنية غير الحادة بشكل معتدل (بنسبة ارتفاع الطرف إلى نصف قطر انحناء الطرف حوالي 680:1) تُعد مستقبلات أفضل لضربات البرق من القضبان الحادة أو غير الحادة جدًا.

بالإضافة إلى ذلك، يؤثر ارتفاع مانع الصواعق بالنسبة إلى الهيكل، بل وحتى بالنسبة إلى الأرض نفسها. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

تنص نظرية نقل الشحنة على إمكانية منع الصواعق التي تصيب المنشآت المحمية عن طريق تقليل الجهد الكهربائي بينها وبين السحابة الرعدية. ويتم ذلك بنقل الشحنة الكهربائية (مثلًا من الأرض إلى السماء أو العكس). ^{[ 31 ] [ 32 ]} ويتم نقل الشحنة الكهربائية من الأرض إلى السماء عن طريق تركيب منتجات هندسية تتكون من نقاط متعددة فوق المنشأة. ومن الجدير بالذكر أن الأجسام المدببة تنقل الشحنة إلى الغلاف الجوي المحيط ^{[ 33 ] [ 34 ]} ، وأنه يمكن قياس تيار كهربائي كبير يمر عبر الموصلات نتيجة التأين الذي يحدث عند النقطة التي يوجد بها مجال كهربائي، كما يحدث عند وجود السحب الرعدية في السماء.

في الولايات المتحدة، لا تُؤيد الرابطة الوطنية للحماية من الحرائق (NFPA) حاليًا أي جهاز يُمكنه منع أو تقليل ضربات الصواعق. وقد رفض مجلس معايير الرابطة، بعد طلب مشروع يتناول أنظمة مصفوفة التبديد وأنظمة نقل الشحنات، طلب البدء في وضع معايير لهذه التقنية (مع أن المجلس لم يستبعد إمكانية تطوير معايير مستقبلية بعد تقديم مصادر موثوقة تُثبت صحة التقنية والعلوم الأساسية). ^{[ 35 ]}

تقترح نظرية انبعاث الشرارات المبكرة أنه إذا احتوى مانع الصواعق على آلية لتوليد التأين بالقرب من طرفه، فإن مساحة التقاط الصواعق لديه تزداد بشكل كبير. في البداية، استُخدمت كميات صغيرة من النظائر المشعة ( الراديوم-226 أو الأمريسيوم-241 ) كمصادر للتأين ^{[ 36 ]} بين عامي 1930 و1980، ثم استُبدلت لاحقًا بأجهزة كهربائية وإلكترونية متنوعة. ووفقًا لبراءة اختراع سابقة، نظرًا لأن معظم أجهزة الحماية من الصواعق ذات جهد أرضي مرتفع، فإن مسافة المسار من المصدر إلى نقطة التأريض المرتفعة ستكون أقصر، مما يُنشئ مجالًا أقوى (يُقاس بالفولت لكل وحدة مسافة)، وبالتالي يصبح هذا الهيكل أكثر عرضة للتأين والانهيار. ^{[ 37 ]}

أصدرت الهيئة الفرنسية الوطنية للتقييس (AFNOR) معيارًا، NF C 17-102:2011 ، يغطي هذه التقنية. كما بحثت الرابطة الوطنية للحماية من الحرائق (NFPA) الموضوع، وقُدِّم اقتراح لإصدار معيار مماثل في الولايات المتحدة الأمريكية. في البداية، ذكرت لجنة مستقلة تابعة للرابطة الوطنية للحماية من الحرائق أن "تقنية الحماية من الصواعق [الانبعاث المبكر للتيار] تبدو سليمة من الناحية التقنية"، وأن هناك "أساسًا نظريًا كافيًا لمفهوم وتصميم طرفية الهواء [الانبعاث المبكر للتيار] من وجهة نظر فيزيائية". ^{[ 38 ]} وخلصت اللجنة نفسها أيضًا إلى أن "نظام الحماية من الصواعق الموصى به [وفقًا لمعيار NFPA 781] لم يتم التحقق منه علميًا أو تقنيًا، وأن أطراف الهواء من نوع فرانكلين لم يتم التحقق من صحتها في اختبارات ميدانية في ظروف العواصف الرعدية".

رداً على ذلك، خلص الاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي إلى أن "لجنة برايان لم تُراجع تقريباً أياً من الدراسات والأبحاث المنشورة حول فعالية أنظمة الحماية التقليدية من الصواعق وأساسها العلمي، وكانت مخطئة في استنتاجها بعدم وجود أساس للمعيار". ولم يُحاول الاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي تقييم فعالية أي تعديلات مُقترحة على الأنظمة التقليدية في تقريره. ^{[ 39 ]} وسحبت الرابطة الوطنية للحماية من الحرائق مسودة النسخة المقترحة من المعيار 781 بسبب عدم وجود أدلة على زيادة فعالية أنظمة الحماية القائمة على انبعاث الشرارات المبكرة مقارنةً بمحطات الحماية الهوائية التقليدية.

أصدر أعضاء اللجنة العلمية للمؤتمر الدولي للحماية من الصواعق (ICLP) بيانًا مشتركًا يعربون فيه عن معارضتهم لتقنية انبعاث الشرارات المبكرة. ^{[ 40 ]} وقد احتفظ المؤتمر الدولي للحماية من الصواعق بصفحة ويب تتضمن معلومات متعلقة بتقنية انبعاث الشرارات المبكرة والتقنيات ذات الصلة حتى عام 2016. ^{[ 41 ] [ 42 ]}