Prezentowany artykuł został wyróżniony w konkursie im. prof. M. Pożarskiego na najlepsze artykuły publikowane w czasopismach z zakresu elektryki – organach SEP.
Od kilkudziesięciu lat podejmowane są próby oceny zagrożenia powstającego podczas bezpośred-nich wyładowań piorunowych w różnorodne obiekty budowlane. Podstawowym źródłem informacji o zachodzących zjawiskach są wyniki rejestracji w rzeczywistych obiektach prowadzone podczas: bezpośrednich, naturalnych lub prowokowanych wyładowań piorunowych w te obiekty albo podczas wymuszonego przepływu prądów udarowych w instalacjach piorunochronnych lub przewodzących elementach konstrukcyjnych obiektów.
Prezentowany artykuł został wyróżniony w konkursie im. prof. M. Pożarskiego na najlepsze artykuły publikowane w czasopismach z zakresu elektryki – organach SEP.
Od kilkudziesięciu lat podejmowane są próby oceny zagrożenia powstającego podczas bezpośred-nich wyładowań piorunowych w różnorodne obiekty budowlane. Podstawowym źródłem informacji o zachodzących zjawiskach są wyniki rejestracji w rzeczywistych obiektach prowadzone podczas: bezpośrednich, naturalnych lub prowokowanych wyładowań piorunowych w te obiekty albo podczas wymuszonego przepływu prądów udarowych w instalacjach piorunochronnych lub przewodzących elementach konstrukcyjnych obiektów.
Względy techniczne i ekonomiczne spowodowały rozwój drugiej z przedstawionych metod. Wyniki prowadzonych badań są najczęściej wykorzystywane do wstępnej oceny:
skuteczności ekranowania konstrukcji budynku przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym,
różnorodnych rozwiązań odprowadzania prądu piorunowego,
różnic potencjałów oraz poziomów napięć indukowanych w instalacjach wewnątrz obiektów budowlanych.
Badania można prowadzić zarówno podczas budowy obiektu, jak i w obiektach istniejących,
w których zainstalowano urządzenia i systemy elektryczne i elektroniczne. Dodatkowych informacji dostarczają wyniki badań laboratoryjnych symulujących na modelach obiektów zjawiska zachodzące podczas wyładowań piorunowych.
Bezpośrednie wyładowanie piorunowe w obiekt budowlany
Dotychczas tylko w kilku obiektach budowlanych zarejestrowano przepięcia powstające w instalacjach niskonapięciowych oraz prądy płynące w elementach konstrukcyjnych podczas bezpośrednich wyładowań piorunowych w te obiekty. Takie rejestracje prowadzono w dużym budynku telekomunikacyjnym oraz w znacznie mniejszym obiekcie budowlanym obok wysokiej wieży (tab. 1).
Tabela 1. Badania przepięć indukowanych przez prądy piorunowe w układach przewodów (rejestracje podczas bezpośrednich wyładowań piorunowych w obiekty):
Ogólny schemat obwodu pomiarowego
Zarejestrowano rozpływ prądu piorunowego o wartości szczytowej 17 kA podczas bezpośredniego wyładowania w wieżę na obiekcie budowlanym.
Krótka charakterystyka badań
Przebieg prądu piorunowego wpływającego do wieży na dachu budynku.
Do pomiarów prądu w konstrukcji wieży oraz w elementach przewodzących w budynku wykorzystano cewki Rogowskiego połączone łączami światłowodowymi z oscyloskopami cyfrowymi. W poszczególnych słupach konstrukcji nośnej budynku zarejestrowano prądy od kilkudziesięciu do ponad 100A. Równolegle prowadzono analizę teoretyczną wykorzystując program SPICE oraz FFT. Uwzględniano rezystancje i indukcyjności własne i wzajemne kolumn i innych elementów konstrukcji budynku.
{mospagebreak}
Ogólny schemat obwodu pomiarowego
Badano zagrożenie piorunowe w obiekcie składającym się z 120m wieża obok 3-piętrowego budynku podczas bezpośrednich wyładowań piorunowych. W czasie trwających rok obserwacji zarejestrowano 22 przypadki bezpośrednich wyładowań w wieżę.
Krótka charakterystyka badań
Przykładowe przebiegi prądow rejetrowanych w sieci zasilającej AC i falowodach oraz napięcie w przewodzie wewnątrz budynku. Badano prądy udarowe w wieży oraz prądy i napięcia w różnych miejscach wewnątrz budynku. Średnia wartość szczytowa prądu piorunowego wynosiła 32 kA (kształt 10/66) a wartość maksymalna 75 kA. Mierzono prądy dochodzące falowodami do budynku, prądy w sieci elektroenergetycznej oraz indukowane w układach przewodów wewnątrz budynku. Próbowano określić zależności pomiędzy tymi prądami a wartościami prądów płynących w nogach wieży.
Otrzymane wyniki wykorzystano do różnorodnych rozważań teoretycznych analizujących zjawiska zachodzące podczas doziemnych wyładowań piorunowych.{mospagebreak}
Od kilkudziesięciu lat podejmowane są również próby prowokowania bezpośrednich wyładowań piorunowych w obiekty budowlane (rys. 1).
Rys. 1. Układ do prowokowania wyładowań piorunowych w obiekty budowlane.
W takich badaniach do rozwijającego się nad obiektem wyładowania piorunowego wystrzeliwane są niewielkie rakiety ciągnące za sobą przewody.
W ten sposób stwarzana jest możliwość wyładowania w wybrany punkt. Początkowo takie obserwacje prowadzono w obiektach wykorzystywanych do celów wojskowych (tab. 2).
Tabela 2. Badania przepięć indukowanych przez prądy piorunowe w układach przewodów (rejestracje podczas prowokowanych bezpośrednich, wyładowań piorunowych w obiekty):
Ogólny schemat obwodu pomiarowego
Wyładowania prowokowane w nadziemną część bunkra.
Krótka charakterystyka badań
Prowokowano wyładowania piorunowe w nadziemną część bunkra. Podczas sezonu burzowego uzyskano 9 wielokrotnych wyładowań piorunowych – w sumie przepływ 38 prądów piorunowych. Rejestrowano prądy piorunowe w 24 punktach obserwacyjnych, ich rozpływ w konstrukcji, napięcia, a także natężenia pól elektrycznego i magnetycznego. Wartości szczytowe zarejestrowanych prądów piorunowych zawierały się w przedziale od 4,2 kA do 37 kA (wartość średnia 32 kA).
Średnio w kanale wyładowania płynęło średnio 4 prądy piorunowe (minimum 2, a maksimum 8 składowych).
{mospagebreak}
Ogólny schemat obwodu pomiarowego
Wyładowanie prowokowane w metalowe elementy drewnianej wieży.
Krótka charakterystyka badań
W prowadzonych badaniach prowokowano wyładowania piorunowe w 11-metrową drewnianą wieżę. Z wieży prąd piorunowy doprowadzano do systemu uziomowego niewielkiego obiektu budowlanego (dwa połączone uziomy pionowe).
W czasie badań zmieniano wartości rezystancji uziomów obiektu oraz stacji transformatorowej SN/NN odległej o ok. 50m od obiektu, z której był on zasilany.
Prądy piorunowe wyładowań prowokowanych osiągały wartości szczytowe od kilku do kilkudziesięciu kA.
Rejestrowano podział prądu piorunowego w systemie uziomowym oraz w przewodach instalacji elektrycznej. Wartości prądu wpływającego do instalacji elektrycznej osiągnęły nawet ponad 80% wartości prądu wpływającego do obiektu. Są to wartości znacznie większe od wartości sugerowanych w zależnościach IEC.
Ogólny schemat obwodu pomiarowego
Wyładowania prowokowane w system oświetlenia pasa startowego.
Krótka charakterystyka badań
Badania prowadzono w latach 1997-1998 na Florydzie. W tym czasie uzyskano 14 wielokrotnych wyładowań prowokowanych w różne miejsca systemu. Łącznie uzyskano 47 udarów piorunowych.
Prądy piorunowe doprowadzano do równych punktów modelu systemu oświetlenia pasa startowego.
Badany model systemu składał się z generatora i regulatora prądowego zasilającego lampy oświetleniowe.
Wykonano pomiary prądu piorunowego wpływającego do systemu oraz płynącego w kilkunastu różnych miejscach w systemie oświetleniowym.
Rejestrowano również różnice potencjałów pomiędzy różnymi punktami w systemie.
Obecnie prądy piorunowe doziemnych wyładowań prowokowanych wprowadzano również do systemu uziomowego i wyrównawczego w typowym obiekcie budowlanym oraz systemu do oświetlania pasa startowego. {mospagebreak}
Badania symulacyjne w rzeczywistych obiektach
Obserwacje zjawisk zachodzących przy przepływie prądów piorunowych podczas bezpośrednich lub prowokowanych wyładowań naturalnych są czasochłonne i kosztowne, a ich wyniki trudno uogólniać na inne obiekty.
Do przybliżonej oceny zagrożenia piorunowego wykorzystuje się uproszczone metody badań, podczas których do instalacji piorunochronnej lub przewodzących elementów konstrukcyjnych wprowadzane są prądy udarowe symulujące prądy piorunowe wpływające do obiektu.
Źródłem prądu jest generator udarowy umieszczony na dachu lub obok obiektu (rys. 2).
Rys. 2. Układy do symulacyjnych badań zagrożenia piorunowego występującego w czasie bezpośrednich udarów w obiekt
Ogólne informacje o tego typu badaniach i otrzymanych wynikach zestawiono w tabelach. (tab. 3 i tab. 4 – zamieszczona w cz. II artykułu)
Tabela 3. Badania przepięć indukowanych przez prądy udarowe w przewodach ułożonych w obiektach budowlanych (badania symulacyjne w rzeczywistych obiektach) :
Ogólny schemat obwodu pomiarowego
Rejestracje prowadzono w kilku różnorodnych obiektach telekomunikacyjnych w Austrii.
Krótka charakterystyka badań
Bezpośrednie wyładowanie piorunowe symulowano wprowadzając prąd udarowy do elementów konstrukcyjnych budynków lub do przewodów instalacji odgromowej. Do zamknięcia obwodu prądowego wykorzystywano dodatkowe przewody powrotne. Zastosowany generator umożliwiał uzyskanie prądów udarowych o wartościach szczytowych do 50A i kształtach 1,2/50 i 10/700.
Napięcia indukowane rejestrowano w prostych pętlach ułożony w budynkach 2-, 3- i 11-piętrowych oraz w pętlach tworzonych przez metalowe elementy konstrukcji obiektów i różnorodne instalacje wewnątrz obiektów.
Ogólny schemat obwodu pomiarowego
Krótka charakterystyka badań
Badania prowadzono w szwajcarskich obiektach telekomunikacyjnych.
Źródłem impulsowego pola magnetycznego był prąd udarowy płynący w pętli pomiarowej umieszczonej wewnątrz obiektu budowlanego.
Rejestrowano m.in. prądy indukowane w przewodach instalacji piorunochronnej.
Próbowano określić impedancję wzajemną pętla- instalacja piorunochronną. Rozpatrywano oddziaływanie prądów udarowych oraz sinusoidalnych.
{mospagebreak}
Ogólny schemat obwodu pomiarowego
Krótka charakterystyka badań
Do budynku o konstrukcji żelbetowej o wymiarach 20mx50mx15m wprowadzano prąd udarowy o wartości szczytowej ok. 1 kA i kształcie 1/40 [8]. Prąd doprowadzano do centralnego słupa konstrukcji nośnej obiektu. Źródłem udaru był izolowany od ziemi generator ustawiony w sąsiedztwie budynku. Zastosowane 4 przewody powrotne zamykały obwód prądowy. Wykonano pomiary prądu oraz natężeń pola magnetycznego. Rejestrowano również różnice napięć wewnątrz pomiędzy poszczególnymi punktami na różnych kondygnacjach.
Ogólny schemat obwodu pomiarowego
Układ pomiarowy: generator- przewody odgromowe-system uziomowy-rezystory-przewody powrotne. Prądy udarowe do 100A.
Krótka charakterystyka badań
Rejestrowano przepięcia indukowane w niewielkim obiekcie telekomunikacyjnym. Prądy udarowe miały kształt zbliżony do kształtów prądów piorunowych, ale mniejsze wartości szczytowe. Pomiary wykazały możliwość przepięć dochodzących do 50 kV podczas rzeczywistych wyładowań piorunowych.
Porównując warunki występujące podczas pomiarów i w czasie rzeczywistego wyładowania piorunowego można, wykorzystując wyniki badań symulacyjnych, ocenić wartości szczytowe indukowanych przepięć atmosferycznych.
W kraju metodę badań symulacyjnych zastosowano po raz pierwszy do oceny zagrożenia piorunowego urządzeń telekomunikacyjnych w dwupiętrowym obiekcie budowlanym. Źródłem prądów udarowych był generator umieszczony na dachu tego obiektu (rys. 3).
Rys. 3. Układy połączeń zastosowane w badaniach symulacyjnych: a) widok ogólny, b), c) i d) poszczególne przypadki ułożenia przewodów powrotnych
{mospagebreak} Przepięcia rejestrowano w pętlach tworzonych z przewodów ułożonych na ścianach i na podłodze w pomieszczeniu na drugim piętrze rys. 4a. (patrz cz. II artykułu)
Zastosowany generator prądowy umożliwił wprowadzenie do przewodów urządzenia piorunochronnego prądów udarowych o wartościach szczytowych dochodzących do 330 A.
Czas czoła otrzymanych udarów wynosił 2–3 ms, a czas do półszczytu ok. 700 ms. Przykładowe przebiegi prądów udarowych i indukowanych napięć przedstawiono na rys. 4b (patrz cz. II artykułu).
Po przeliczeniu otrzymanych wartości do zagrożenia wywołanego przez prąd piorunowy o wartości szczytowej 100 kA i szybkości narastania 100 kA/ms stwierdzono, że:
w każdym z badanych obwodów wartości szczytowe indukowanych napięć przekroczyły 1 kV,
maksymalne wyznaczone wartości nie przekraczały 20 kV.
W większości przypadków w badaniach laboratoryjnych i terenowych próbowano odwzorować rozpływ prądu, jaki wystąpi podczas bezpośredniego uderzenia piorunu.
Innym sposobem podejścia do oceny zagrożenia piorunowego jest wymuszanie przepływu prądu udarowego w obwodzie różniącym się od tego, jaki wystąpi podczas wyładowania w obiekt. W takim przypadku należy wykonać przedstawione poniżej działania:
Wymusić przepływ prądu udarowego w przewodzących elementach konstrukcyjnych rzeczywistego obiektu. Obwód, w którym płynie prąd udarowy, może różnić się od tego, jaki wystąpi podczas bezpośredniego wyładowania piorunowego w obiekt.
Prowadzić rejestrację prądów i napięć wywołanych przez rozpływający się prąd udarowy.
Utworzyć modele matematyczne opisujące zjawiska zachodzące w czasie pomiarów.
Wykonać obliczenia i wybrać model matematyczny, który zapewnił otrzymanie wyników najbardziej zbliżonych do tych, jakie zarejestrowano w czasie pomiarów.
Wykorzystać wybrany model do symulacji zjawisk zachodzących podczas wyładowania piorunowego w analizowany obiekt.
Przeprowadzić obliczenia i dokonać oceny występującego zagrożenia piorunowego.
prof. Andrzej Sowa
Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny
Artykuł ukazał się w „Wiadomościach Elektrotechnicznych” nr 10/2005
www.sigma-not.pl
red.we@sigma-not.pl
Literatura
[1] L. Augustyniak, Analiza przepięć atmosferycznych w sieciach komputerowych w obiektach budowlanych. Rozprawa doktorska, Białystok 1998.
[2] R. Markowska, Analiza zagrożenia piorunowego urządzeń w obiektach
radiokomunikacyjnych. Rozprawa Doktorska, Białystok 2006.
[3] A. Sowa, Kompleksowa ochrona odgromowa i przepięciowa. Biblioteka COSiW SEP,2005.
[4] PN-IEC 61312-1:2001, Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. Zasady ogólne.
[5] PN-IEC/TS 61312-2:2002, Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym (LEMP). Część 2. Ekranowanie obiektów, połączenia wewnątrz obiektów i uziemienia.
ZAMÓW PRENUMERATĘ
Artykuł zamieszczony
w „Inżynierze budownictwa”,
kwiecień 2007.
