Prezentowany artykuł został wyróżniony w konkursie im. prof. M. Pożaryskiego na najlepsze artykuły publikowane w czasopismach z zakresu elektryki – organach SEP.
Prezentowany artykuł został wyróżniony w konkursie im. prof. M. Pożaryskiego na najlepsze artykuły publikowane w czasopismach z zakresu elektryki – organach SEP.
Rys. 4. Badanie napięć indukowanych w pętlach tworzonych z przewodów: a) rozmieszczenie badanych pętli oraz przewodów urządzenia piorunochronnego, b) przebiegi prądów udarowych i napięć indukowanych przez te prądy w pętlach
Tabela 4. Badania przepięć indukowanych przez prądy udarowe w układach przewodów w obiektach stacji radionadawczych (symulacja w rzeczywistych obwodach)
Ogólny schemat obwodu pomiarowego
Generator umieszczono na szczycie lub u podstawy wieży. Prądy udarowe dochodziły do wartości 730 A [5].
Charakterystyka wyników
Badano rozpływ prądów udarowych w systemie uziomowym wieży i obiektu budowlanego. Do pomiaru zastosowano cewkę Rogowskiego.
Pomiary wykazały, że znaczna część prądu udarowego (do 45%) płynie w drabince kablowej łączącej wieżę z obiektem oraz w kablach antenowych wchodzących do obiektów. Pozostała część wpływa do systemu uziomowego wieży.
Rejestrowano również napięcia indukowane przez prąd udarowy w prostych pętlach tworzonych z różnorodnych instalacji przewodzących w obiekcie budowlanym.
{mospagebreak}
Ogólny schemat obwodu pomiarowego
Generator podłączano do wierzchołka i podstawy 25 m wieży. Przebiegi otrzymanych prądów: oscylacje tłumione o częstotliwości ok. 25 kHz i amplitudach nie przekraczających 1,6 kA. Dodatkowo przeprowadzono analizę teoretyczną zakładając oddziaływanie prądów piorunowych 100 kA, 10/350 oraz 25 kA i kształcie 0,25/100 [3].
Charakterystyka wyników
Rejestrowano natężenie pola magnetycznego wewnątrz i na zewnątrz obiektu budowlanego, prądy indukowane w systemie wyrównywania potencjałów oraz w ekranach kabli dochodzących do obiektu i ułożonych w obiekcie, napięcia w obwodach otwartych i różnice potencjałów pomiędzy instalacjami wewnątrz obiektu.
Ogólny schemat obwodu pomiarowego
Do badań [9] wykorzystano dwa rodzaje generatorów:
– wysokonapięciowy 6-stopniowy generator wytwarzający napięcia udarowe o wartości szczytowej do 600kV o czasie czoła 1,2 μ s (energia 7,5 kJ),
– wytwarzający udary napięciowe o wartości szczytowej do kilkunastu kV kształtach 1/50, 1/100, 1/500, 1/750.
Charakterystyka wyników
Zagrożenie piorunowe symulują prądy udarowe o wartościach do 2,1 kA wprowadzane do systemu uziomowego u podstawy wieży.
Mierzono napięcia i prądy w różnych punktach sieci elektroenergetycznej niskiego i średniego napięcia. Mierzono napięcia oraz różnice potencjałów pomiędzy poszczególnymi punktami w systemie uziomowym. Stwierdzono zagrożenie transformatorów SN/NN oraz separacyjnego. Określono wzajemną zależność pomiędzy prądem udarowym i indukowanym napięciem (3,35 kV/kA). Symulowano również zagrożenie stwarzane przez udary napięciowe dochodzące do stacji z linii średniego napięcia. W tym przypadku, nie przerywając zasilania urządzeń, wprowadzano napięcia udarowe do linii średniego napięcia. Źródłem napięcia był generator wytwarzający udary o wartości szczytowej kilkunastu kilowoltów.
{mospagebreak}
Kliknij obrazek aby powiększyć
Rys. 5. Układy połączeń do badania przepięć indukowanych przez rozpływający się prąd udarowy [1]
Na rys. 5 przedstawiono układ połączeń wykorzystywany do wymuszania przepływu prądu udarowego oraz rozmieszczenie przewodów instalacji elektrycznej wewnątrz badanego obiektu [1]. Źródłem zakłóceń był prąd udarowy wprowadzany do przewodów urządzenia piorunochronnego z generatora umieszczonego wewnątrz budynku. Prąd płynął w obwodzie: generator–rura aluminiowa–przewody instalacji piorunochronnej–system uziomowy–generator. Zakłócanymi obwodami była instalacja elektryczna oraz okablowanie lokalnej sieci komputerowej. Zastosowany generator umożliwiał wprowadzenie do przewodów urządzenia piorunochronnego prądów udarowych o wartościach szczytowych dochodzących do 1550 A i czasach czoła ok. 2,5 ms.
Kliknij obrazek aby powiększyć
Rys. 6. Przepięcia indukowane w gniazdach instalacji elektrycznej [1]. Gniazda instalacji elektrycznej – bez obciążenie (obwody otwarte) i obciążone rezystancją ok. 50Ω.
Indukowane przepięcia rejestrowano w instalacji elektrycznej typu TN-C-S między przewodami fazowymi a neutralnym (rys. 6) oraz ochronnym. Wykorzystując wyniki pomiarów opracowano model matematyczny układu kanał wyładowania–badany obiekt budowlany i wyznaczono zagrożenie wywołane przez przepływ prądu udarowego o wartości szczytowej 100 kA. Otrzymane wartości szczytowe indukowanych napięć zawierały się w przedziale od kilkuset woltów do kilkudziesięciu kilowoltów.
{mospagebreak}
Rys. 7. Układ połączeń do badania zagrożeń piorunowych stacji bazowej
Pomiary o podobnym charakterze przeprowadzono również w wolno stojących stacjach bazowych telefonii komórkowej (rys. 7). Badano zjawiska zachodzące w typowych obiektach składających się z wież antenowych o wysokości 50–60 m i ustawionych obok kontenerów [2].
Z generatora umieszczonego u podstawy wieży prąd udarowy doprowadzano izolowanym przewodem do szczytu wieży. Następnie prąd rozpływał się w przewodzących elementach konstrukcyjnych wieży oraz w systemie wyrównawczym i uziomowych stacji.
Rys. 8. Podział prądu udarowego w przewodach systemu pomiarowego oraz wewnątrz kontenera stacji bazowej (wartości prądu wyrażono w procentach prądu wprowadzanego do konstrukcji wieży)
Do zamknięcia obwodu prądowego wykorzystano dodatkowe przewody powrotne łączące generator z uziemionym ogrodzeniem lub dodatkowymi elektrodami wbitymi w ziemię w pewnej odległości od stacji. Pomiary prowadzono nie przerywając normalnej pracy stacji bazowych. Przykładowe wyniki pomiarów rozpływu prądów udarowych przedstawiono na rys. 8.
{mospagebreak}
Podsumowanie
Analizując przedstawione metody badań można sformułować następujące uwagi:
Prowadzenie badań zagrożeń powstających podczas naturalnych wyładowań piorunowych w typowe obiekty budowlane jest w naszej strefie klimatycznej bezcelowe ze względu na niewielką liczbę doziemnych wyładowań piorunowych.
Obserwacje zagrożeń powstających w naturalnych warunkach można próbować prowadzić w obiektach wysokich najlepiej wolno stojących na lokalnych wzniesieniach. Takimi obiektami mogą być np. stacje radionadawcze z wysokimi wieżami lub bardzo wysokie budynki. Jednak nawet w takich obiektach będą to długotrwałe i kosztowne pomiary, a liczba zarejestrowanych wyładowań będzie niewielka.
Więcej informacji o występującym zagrożeniu można uzyskać prowokując wyładowania piorunowe w obiekty budowlane lub elementy rozległych systemów elektrycznych lub elektronicznych. Niestety taka metoda wymaga znacznych nakładów finansowych i przy krajowej liczbie dni burzowych w roku takie obserwacje mogą okazać się również zbyt kosztowne.
W typowych obiektach budowlanych do oceny zagrożenia piorunowego można wykorzystać metodę badań symulacyjnych w naturalnych warunkach. Jest to metoda, o której wspominają normy ochrony odgromowej obiektów budowlanych oraz obiektów telekomunikacyjnych.
Najczęściej wyniki badań symulacyjnych przeliczane są do warunków, jakie występują podczas rzeczywistych wyładowań piorunowych. Do przybliżonej oceny zagrożenia piorunowego można przyjąć, że:
Unp = Unm * ku
Inp = Inm * ki
gdzie:
Unp, Inp – odpowiednio, przewidywane wartości szczytowe napięć i prądów występujące w czasie wyładowania;
Unm, Inm – odpowiednio wartości szczytowe napięć i prądów zarejestrowane podczas badań symulacyjnych;
ku = ki – współczynnik określający stosunek wartości szczytowych prądu piorunowego i prądu udarowego wprowadzanego do obiektu w czasie badań.
Należy zauważyć, że przedstawiony przybliżony sposób wyznaczania zagrożenia piorunowego można zastosować tylko w przypadku podobnych kształtów prądów piorunowych i udarowych stosowanych w czasie badań.
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 pioru nowym impulsem elektromagnetycz nym. Zasady ogólne.
[5] PN-IEC/TS 61312-2:2002 Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycz nym (LEMP). Część 2. Ekranowanie obiektów, połączenia wewnątrz obiektów i uziemienia.
ZAMÓW PRENUMERATĘ
Artykuł zamieszczony
w „Inżynierze budownictwa”,
maj 2007.
