Elektrika.cz - elektrotechnické zpravodajství
Tisknete článek: Je ochranný priestor aktívnych zachytávačov (ESE) určený podľa NF C 17-102 skutočne taký rozsiahly? (klik pro návrat)
Stránka byla vytvořena: 18.09.2020
Všechna práva vyhrazena (c)1998-2024 Elektrika.cz
Doslovné ani částečné přebírání tohoto materálu není povoleno bez předchozího písemného (e-mailového) svolení redakce portálu Elektrika.cz.

Je ochranný priestor aktívnych zachytávačov (ESE) určený podľa NF C 17-102 skutočne taký rozsiahly?


Je ochranný priestor aktívnych zachytávačov (ESE) určený podľa NF C 17-102 skutočne taký rozsiahly?
Článok poukazuje na chybné používanie metódy valivej gule (RSM) založenej na elektro-geometrickom modeli (EGM) pri určovaní ochranného priestoru aktívnych zachytávačov, resp. zachytávačov s včasnou iniciáciou výboja (ESE) podľa francúzskej normy NFC 17-102 a podľa všetkých národných noriem vychádzajúcich z tejto normy. Predmetom článku nie je spochybnenie času predstihu iniciácie ∆t, a teda prírastku dĺžky ústretového výboja ∆L, ale dokázanie chybného výpočtu polomeru ochrany R_P v ľubovoľnej výške podľa vyššie uvedených noriem. Kľúčové slová: norma NF C 17-102, aktívny zachytávač, pasívny zachytávač, metóda valivej gule, ochranný priestor, polomer ochrany ...
Autorský článek, ze dne: 18.09.2020






Ukázku úvahy sledujte níže. Aktivními odkazy se dostane k originálnímu dokumentu

Medzi najuniverzálnejšiu metódu na rozmiestnenie zachytávacích tyčí, resp. vodičov na chránenom objekte a určenie ich ochranného priestoru patrí elektro-geometrická metóda – metóda valivej gule (Rolling Sphere Method – RSM).
Vzdialenosť medzi čelom zostupného krokového lídra a najvzdialenejším bodom v priestore, kde môže líder doskočiť, sa nazýva doskoková vzdialenosť. Táto vzdialenosť závisí od veľkosti náboja v kanáli lídra, od ktorého závisí očakávaná vrcholová hodnota prúdu spätného úderu. Čím väčší náboj sa bude nachádzať v krokovom lídri, tým bude väčšia hodnota prúdu spätného úderu, a tým viac sa zväčší doskoková vzdialenosť v poslednom štádiu rozvoja lídra, kedy sa očakáva jeho spojenie so zemou. Pri uvažovaní konštantnej doskokovej vzdialenosti so začiatkom v čele lídra je možné v priestore určiť všetky potenciálne body doskoku. Týmto spôsobom sa vytvorí sférický priestor, tzv. valivá guľa, ktorej stred reprezentuje čelo lídra a jej polomer sa vypočíta nasledovne [3][5]:

r=10∙I0,65        (1)

kde:
r    polomer valivej gule [m]
I    očakávaná vrcholová hodnota prúdu spätného úderu [kA]

Akonáhle bude ľubovoľný objekt pretínať sférický priestor lídra, dôjde k preskoku medzi jeho čelom a uvažovaným objektom. Práve táto skutočnosť sa využíva pri určovaní všetkých potenciálnych bodov zásahu na kontrolovanom objekte. Čelo lídra sa postupne posúva všetkými smermi v trojrozmernom priestore po súradniciach X, Y, Z a to tak, aby sa jeho sférický priestor s vopred známym polomerom r dotýkal kontrolovaného objektu. Takéto posúvanie čela lídra v priestore reprezentuje váľanie gule po objekte, ktorej stred predstavuje práve čelo lídra a jej polomer r reprezentuje doskokovú vzdialenosť. Týmto spôsobom sa na kontrolovanom objekte určia všetky potenciálne body zásahu bleskom (body dotyku valivej gule s objektom). Následne sa do týchto bodov umiestni zachytávacia sústava tak, aby pri opätovnom váľaní gule prenikla do sférického priestoru iba zachytávacia sústava. Tým sa vytvorí určitý ochranný priestor sústavy, ktorý závisí od polomeru valivej gule r a od typu použitého zachytávača (pasívny zachytávač, aktívny zachytávač).

Pri určovaní ochranného priestoru je potrebné brať do úvahy najnepriaznivejší prípad, pri ktorom sa vytvorí najmenší ochranný priestor zachytávacích tyčí a vodičov. To je možné dosiahnuť dosadením minimálnej vrcholovej hodnoty prúdu spätného úderu do rovnice (1), kedy sa pre jednotlivé úrovne ochrany získajú najmenšie polomery valivej gule (pozri Tab. 1):



Tab. 1 Polomer valivej gule v závislosti od úrovne ochrany pred
bleskom LPL [3][4]




MATEMATICKÉ ODVODENIE VÝPOČTU POLOMERU OCHRANY PASÍVNEHO ZACHYTÁVAČA

Pasívny zachytávač je jednoduchá tyč/vedenie, pri ktorom sa neuvažuje s ústretovým výbojom smerujúcim od zachytávača k zostupnému krokovému lídru pri určovaní jeho ochranného priestoru. V skutočnosti, tak ako z každého miesta s vysokou nehomogenitou, aj z hrotu pasívneho zachytávača môže vznikať ústretový výboj v závislosti od tlaku, vlhkosti, teploty okolia a intenzity elektrického poľa v danom mieste. Pre potreby určenia najmenšieho/ najnepriaznivejšieho ochranného priestoru podľa [4] sa s ním však neuvažuje. Pre lepšiu názornosť bude v tomto článku pasívny zachytávač reprezentovať jednoduchá tyč.

Ochranný priestor jedného pasívneho zachytávača určený pomocou metódy valivej gule sa skladá iba z jedného trojrozmerného priestoru, ktorý je definovaný (pozri obr. 1):
  1.     bodmi dotyku valivej gule so zemou (bod A1, A2) a hrotom zachytávača (bod B1),
  2.     polomerom valivej gule r (pozri tab. 1).



Obr. 1 Priečny rez (rovina X-Z) ochranného priestoru jedného pasívneho zachytávača určeného podľa metódy valivej gule

Pre matematický výpočet polomeru ochrany RP je potrebné nahradiť chránený objekt a pasívny zachytávač jednou tyčou, ktorej výška sa bude rovnať súčtu výšky chráneného objektu a výšky zachytávacej tyče (pozri obr. 2).



Obr. 2 Matematické odvodenie polomeru ochrany pasívneho zachytávača R_P

V trojrozmernom priestore je si možné predstaviť ochranný priestor jednej zachytávacej tyče ako súbor kružníc v rovine X-Y s polomerom RP závislým od výšky h (súradnica Z) nad fyzickou zemou. Tento polomer je možné na základe obr. 2 odvodiť ... (podrobnosti zde)


Vyššie uvedené vzťahy platia iba pre rovinatý terén a pre maximálnu výšku hrotu zachytávacej tyče nad zemou  rovnú polomeru valivej gule r (pozri tab. 1).

MATEMATICKÉ ODVODENIE VÝPOČTU POLOMERU OCHRANY AKTÍVNEHO ZACHYTÁVAČA

Aktívny zachytávač je v podstate pasívny zachytávač doplnený o elektroniku umiestnenú pod jeho hrotom, ktorá zabezpečí včasnú iniciáciu výboja. Z toho dôvodu sa pri určovaní ochranného priestoru aktívneho zachytávača uvažuje s ústretovým výbojom. Dĺžku ústretového výboja je možné vypočítať podľa ... (podrobnosti zde)

Podľa [1] je prírastok dĺžky ústretového výboja ∆L, ktorá závisí od výkonu aktívneho zachytávača, konštantná (uvažuje sa konštatná rýchlosť zostupného krokového lídra v=1m/μs a taktiež konštantný predstih iniciácie výboja daný výrobcom). Ak sa v trojrozmernom priestore určia všetky body, ktoré sa nachádzajú v konštantnej vzdialenosti  ∆L od hrotu aktívneho zachytávača, v porovnaní s pasívnym zachytávačom sa vytvorí sférický priestor, o ktorý sa zväčší celkový ochranný priestor.

Na základe vyššie uvedených úvah vychádzajúcich z [1] by sa mal celkový ochranný priestor aktívneho zachytávača určený pomocou metódy valivej gule skladať z dvoch ochranných priestorov (pozri obr. 3):

Ochranný priestor (sférický priestor) definovaný:
  •     stredom v čele hrou aktívneho zachytávača (bod S0),
  •     polomerom rovnajúcim sa ∆L,
Ochranný priestor definovaný:
  •     bodmi dotyku valivej gule s fyzickou zemou (bod A1, A2) a ochranným priestorom č. 1 (bod B1, B2),
  •     polomerom valivej gule r.



Obr. 3 Priečny rez (rovina X-Z) predpokladaného ochranného priestoru jedného aktívneho zachytávača určeného pomocou metódy valivej gule


Z obr. 3 vyplýva, že ak sa bude uvažovať s ∆L=0m, ochranný priestor č. 1 zanikne a celkový ochranný priestor by sa mal rovnať ochrannému priestoru pasívneho zachytávača podľa Obr. 1 (body B1, B2 sa posunú do bodu S0 reprezentujúceho čelo hrotu zachytávača a body A1, A2 sa posunú smerom k chránenému objektu).


    ODVODENIE POLOMERU OCHRANY
AKTÍVNEHO ZACHYTÁVAČA PODĽA NF C 17-102


Pre odvodenie vzťahu polomeru ochrany aktívneho zachytávača uvedeného v [1] sa chránený objekt a tyč z obr. 3 opäť nahradia jednou tyčou s celkovou dĺžkou rovnajúcou sa výške chráneného objektu a výške zachytávacej tyče (pozri obr. 4).





Obr. 4 Priečny rez (rovina X-Z) ochranného priestoru jedného aktívneho zachytávača určeného pomocou metódy valivej gule podľa [1]

Vzťah pre výpočet polomeru ochrany uvedený v [1] je odvodený ... (podrobnosti zde)

Vzťah (5c) je na základe obr. 4 odvodený správne, no platí iba na úrovni fyzickej zeme pri uvažovaní celkovej výšky h1. Tento vzťah nie je možné používať pri výpočte polomeru ochrany v ľubovoľnej vertikálnej vzdialenosti (minimálne 5m) od hrotu aktívneho zachytávača ako odporúča [1]. Dôvod je ten, že ak sa pre výpočet polomeru ochrany v ľubovoľnej výške aplikuje vzťah (5c), dochádza k postupnému zdvíhaniu valivej gule nad fyzickú zem, čím sa zanedbáva najnepriaznivejšie miesto výskytu čela zostupného krokového lídra, a teda najmenší možný ochranný priestor – dochádza k umelému zväčšovaniu ochranného priestoru. Stred zdvihnutej gule (bod S1) sa bude pohybovať po kružnici (bod S1’, S1’’) s polomerom rovnajúcim sa súčtu ∆L a r. Pri následnom výpočte polomeru ochrany sa valivá guľa dotkne neexistujúcej imaginárnej zeme v uvažovanej výške (imaginárna zem’ – bod A1’, imaginárna zem’’ – bod A1’’), sférického priestoru v okolí hrotu zachytávača (bod B1’, B1’’) a vypočíta sa horizontálna vzdialenosť medzi stredom valivej gule (bod  S1’, S1’’) a hrotom aktívneho zachytávača (bod S0).
Pre vertikálnu vzdialenosť v intervale <2m,5m> od hrotu aktívneho zachytávača norma [1] stanovuje vzťah, ktorý vychádza z podobnosti trojuholníkov (pozri obr. 5): ... (podrobnosti zde)





Obr. 5 Výpočet ochranného priestoru vo vertikálnej vzdialenosti
h ∈<2m,5m> pomocou podobnosti trojuholníkov podľa [1]


Z obr. 5 vyplýva, že spočiatku sa určí polomer ochrany pre vertikálnu vzdialenosť 5m od hrotu zachytávača nesprávnym spôsobom podľa vzťahu (5c) a následne sa tento polomer prepočítava podľa podobnosti trojuholníkov tvorených bodmi (podrobnosti zde)  až do vertikálnej vzdialenosti 2m od hrotu tyče. Nie je známe prečo nad vertikálnu vzdialenosť 5m od hrotu sa vychádza iba z metódy valivej gule (nesprávnou aplikáciou) a pod 5m (maximálne do 2m) sa používa kombinácia tejto metódy a podobnosti trojuholníkov. Tento fakt je zavádzajúci, pretože samotná norma [1] týmto spôsobom popiera ochranný priestor aktívneho zachytávača, ktorý sa vytvorí včasnou iniciáciou ústretového výboja nad vrcholom hrotu tyče (pozri obr. 3).

Aplikovaním vzťahov (5c) a (6b) podľa [1] je možné nasimulovať trojrozmerný model ochranného priestoru aktívneho zachytávača s nasledujúcimi parametrami (pozri Obr. 6, Obr. 7) ... (podrobnosti zde)
 



Obr. 6. Trojrozmerný ochranný priestor aktívneho zachytávača určený podľa [1]





Obr. 7. Priečny rez (rovina X-Z) ochranného priestoru aktívneho zachytávača určený podľa [1]



    SPRÁVNE ODVODENIE POLOMERU OCHRANY
AKTÍVNÉHO ZACHYTÁVAČA

Tak ako v prípade pasívneho zachytávača, aj v prípade aktívneho zachytávača je potrebné pre výpočet skutočného ochranného priestoru (pozri obr. 8) brať do úvahy najnepriaznivejšie miesto výskytu čela zostupného krokového lídra (bod S1) určené bodom dotyku valivej gule s fyzickou zemou (bod A2) a s pomyselnou guľou vytvorenou ústretovým výbojom (bod B2).



Obr. 8 Priečny rez (rovina X-Z) skutočného ochranného priestoru aktívneho zachytávača

Skutočný polomer ochrany sa na základe obr. 8 vypočíta nasledovne ... (podrobnosti zde)

Jediný rozdiel v takto určenom ochrannom priestore oproti pasívnemu zachytávaču je v tom, že polomer ochrany aktívneho zachytávača sa určuje až do výšky h_1^' (h_1^'≥h_1), ktorá je určená bodom dotyku valivej gule s guľou vytvorenou ústretovým výbojom (bod B2). Túto výšku je možné určiť nasledovne ... (podrobnosti zde)


Obr. 9 Skutočný trojrozmerný ochranný priestor aktívneho zachytávača




Obr. 10 Priečny rez (rovina X-Z) skutočného ochranného priestoru aktívneho zachytávača


Praktické porovnanie polomerov ochrany určených
správnym spôsobom a podľa NF C 17-102

Na základe vzťahu (3c) je možné tvrdiť, že polomer ochrany aktívneho zachytávača určený správnym spôsobom (pozri kapitolu 3.2) bude pre ľubovoľnú výšku (max. do výšky priesečníka ochranných priestorov) vždy menší ako polomer ochrany určený podľa [1] (polomery ochrany sa budú rovnať jedine na úrovni fyzickej zeme a vo výške priesečníka ochranných priestorov). Celkový percentuálny pokles polomeru ochrany 〖ΔR〗_P bude závisieť od všetkých premenných vystupujúcich vo vzťahu (3c). Na základe toho je možné pre porovnanie polomerov ochrany vytvoriť prípady, v ktorých sa jedna premenná bude postupne meniť a zvyšné premenné ostanú konštantné ... (podrobnosti zde)

Priebeh celkového percentuálneho poklesu v závislosti od kontrolovanej výšky h_2 nad zemou je pre všetky uvažované prípade totožný (pozri obr. 11, obr. 12, obr. 13). So vzrastajúcou výškou vzrastá rozdiel polomerov ochrany, a teda narastá percentuálny pokles. Maximálny percentuálny pokles bude vo väčšine prípadov (h_1<48m) dosiahnutý vo výške, kde dochádza k zmene spôsobu jeho výpočtu. V prípade, že h_1≥48m, maximálny pokles bude dosiahnutý ešte v menšej výške (napr. pre h_1=50m sa 〖ΔR〗_(P_max)≅60% dosiahne v h_2=42m). Ďalším zväčšovaním kontrolovanej výšky h_2 bude percentuálny pokles klesať z dôvodu zmeny v určovaní ochranného priestoru podľa [1]. V bode priesečníka ochranných priestorov bude rozdiel polomerov ochrany nulový. 

    ZMENA h1 PRI r=KONST., ∆L=KONST.

Pre tento prípad sú stanovené tieto vstupné hodnoty:
    úroveň ochrany pred bleskom LPL IV: r=60m,
    výška hrotu zachytávača nad fyzickou zemou:
h1∈⟨10m│60m⟩ s krokom 10m,
    prírastok dĺžky ústretového výboja: ∆L=25m.



Obr. 11 Percentuálny pokles polomeru ochrany ∆R_P pri rôznej výške nad zemou h_2 v závislosti od zmeny výšky hrotu aktívneho zachytávača h_1


Z obrázka (pozri obr. 11) vyplýva, že so zväčšovaním výšky hrotu zachytávača nad zemou h1 sa zväčšuje aj rozdiel polomerov ochrany. V tomto prípade sa maximálny percentuálny pokles 〖ΔR〗_(P_max)≅63% (h2=46m) dosiahne pri výške h1=60m. Minimálny percentuálny pokles 〖ΔR〗_(P_min)≅31% (h_2=5m) prislúcha najmenšej výška h1=10m.
   
ZMENA r PRI h1=KONST., ∆L=KONST.
Pre tento prípad sú stanovené tieto vstupné hodnoty:
  •     úroveň ochrany pred bleskom LPL I, II, III, IV: r∈{20m┤ |30m┤ |45m┤ ├ ├|60m┤},
  •     výška hrotu zachytávača nad fyzickou zemou: h1=20m,
  •     prírastok dĺžky ústretového výboja: ∆L=25m.




Obr. 12 Percentuálny pokles polomeru ochrany ∆R_P pri rôznej výške nad zemou h_2 v závislosti od zmeny úrovne ochrany pred bleskom LPL

Z obrázka (pozri obr. 12) vyplýva, že so znižovaním úrovne ochrany pred bleskom LPL (zväčšovanie polomeru valivej gule) sa zväčšuje rozdiel polomerov ochrany. V tomto prípade sa maximálny percentuálny rozdiel 〖ΔR〗(Pmax)≅46% (h2=15m) dosiahne v úrovni ochrany pred bleskom LPL IV. Minimálny percentuálny pokles 〖ΔR〗(Pmin)≅40% (h_2=15m) prislúcha najvyššej úrovni ochrany pred bleskom LPL I.
   
ZMENA ∆L PRI r=KONST., h1=KONST.

Pre tento prípad sú stanovené tieto vstupné hodnoty:
  •     úroveň ochrany LPL IV: r=60m,
  •     výška hrotu zachytávača nad fyzickou zemou: h1=60m,
  •     prírastok dĺžky ústretového výboja: ∆L∈⟨10m│60m⟩ s krokom 10m.





Obr. 13 Percentuálny pokles polomeru ochrany ∆R_P pre rôznu výšku nad zemou h_2 v závislosti od zmeny prírastku dĺžky ústretového výboja ∆L


Z obrázka (pozri obr. 13) vyplýva, že so zmenšovaním prírastku dĺžky ústretového výboja sa zväčšuje rozdiel polomerov ochrany. V tomto prípade sa maximálny percentuálny pokles 〖ΔR〗(Pmax)≅78% (h_2=48m) dosiahne pri ∆L=10m. Minimálny percentuálny pokles 〖ΔR〗(Pmin)≅44% (h2=46m) prislúcha najväčšej dĺžke ústretového výboja ∆L=60m.

Záver

Tento článok nespochybňuje odborne nepodloženú výhodu aktívnych zachytávačov oproti pasívnym v skoršom vyslaní ústretového výboja. Práve naopak, snaží sa tento jav správne implementovať pri určovaní ochranného priestoru pomocou metódy valivej gule. Francúzska norma [1] taktiež používa túto metódu avšak nesprávne. Z toho dôvodu hlavnou úlohou tohto článku bolo vysvetliť, prečo je ochranný priestor aktívnych zachytávačov určený podľa [1] nesprávne vypočítaný a k akému percentuálnemu poklesu dochádza pri jeho porovnaní so skutočným ochranným priestorom.

Hlavným dôvodom, prečo je ochranný priestor podľa [1] nesprávne určený je to, že norma [1] používa na výpočet polomeru ochrany v ľubovoľnej výške vzťah (5c), ktorý platí iba na úrovni fyzickej zeme.

Týmto spôsobom sa umelo zväčšuje ochranný priestor aktívneho zachytávača (pozri obr. 6, obr. 7). Takto vytvorený ochranný priestor vyzerá v porovnaní s ochranným priestorom pasívneho zachytávača oveľa rozsiahlejšie, no je potrebné si uvedomiť, že tieto ochranné priestory nie je možné porovnávať z dôvodu rozdielnosti spôsobu ich určenia. V prípade jedného pasívneho zachytávača sa valivá guľa dotýka vždy zeme a polomer ochrany v ľubovoľnej výške sa vypočíta ako rozdiel polomeru ochrany na úrovni fyzickej zeme a horizontálnej vzdialenosti medzi stredom valivej gule a jej okrajom v uvažovanej výške (pozri obr. 2). Rozdielnosť v určení ochranných priestorov potvrdzuje aj fakt, že pri neuvažovaní ústretového výboja sú ochranné priestory pasívneho a aktívneho zachytávača s ΔL=0m rozdielne, pričom by mali byť rovnaké (pozri obr. 2, obr. 7).

Správny ochranný priestor by sa mal určovať tak ako v prípade pasívneho zachytávača s tým rozdielom, že polomer ochrany na úrovni fyzickej zeme sa vypočíta podľa (5c) a od tohto polomeru sa následne majú odpočítavať horizontálne vzdialenosti od stredu valivej gule po jej okraj (pozri obr. 8).

Z porovnania ochranných priestorov určených správnym spôsobom a podľa [1] vyplýva, že ochranný priestor aktívneho zachytávača je v skutočnosti oveľa menší ako deklaruje [1]. Nie je možné plošne zadefinovať, aký bude percentuálny pokles v určitej výške, lebo to závisí od výšky budovy, úrovne ochrany pred bleskom LPL a prírastku dĺžky ústretového výboja. Vo všeobecnosti je možné povedať, že tento pokles bude tým väčší, čím bude:
-    vyššia budova (pozri obr. 11),
-    nižšia úroveň ochrany pred bleskom LPL (pozri obr. 12),
-    menší prírastok dĺžky ústretového výboja (pozri obr. 13).

Na základe vyššie uvedených skutočností odporúčam (hlavne z dôvodu bezpečnosti) všetkým majiteľom bleskozvodných sústav obsahujúcich aktívny zachytávač, aby si dali skontrolovať jeho SKUTOČNÝ ochranný priestor. Pri rozsiahlych budovách je veľká pravdepodobnosť, že správnym aplikovaním metódy valivej gule sa bude časť budovy nachádzať mimo ochranného priestoru aktívneho zachytávača a bude vystavená priamym zásahom blesku. To je pravdepodobne jeden z dôvodov, prečo sú evidované zásahy blesku do ochranných priestorov aktívnych zachytávačov určených podľa [1].

LITERATÚRA
[1]    NF C 17-102, 2011-09: Protection against lightning. Early streamer emission lightning protection systems.
[2]    STN 34 1398, 2014-03: Ochrana pred účinkami blesku. Aktívne bleskozvody.
[3]    STN EN 62 305-1, 2012-04: Ochrana pred bleskom. Časť 1: Všeobecné princípy.
[4]    STN EN 62 305-3, 2012-06: Ochrana pred bleskom. Časť 3: Hmotné škody na stavbách a ohrozenie života.
[5]    Cooray, V. An introduction to lightning. Dordrecht: Springer Netherlands, 2015. 386 s. ISBN 978-94-017-8937-0.

KONTAKT NA AUTORA Gabriel Krescanko, krescankog@gmail.com
Celé verze článků získáte zde (1. díl a 2. díl)




TEXT Z OBLASTÍ

Konec tisknuté stránky z portálu Elektrika.cz.