Systemy ostrzegania przed wyładowaniami atmosferycznymi w świetle nowej normy PN-EN 50536

Przykładem może być ochrona istot żywych na obszarach o znacznej powierzchni, gdzie intensywność wyładowań piorunowych jest szczególnie wysoka (np. szlaki górskie Tatrzańskiego Parku Narodowego). W takich przypadkach niezwykle cenna może być informacja o zbliżającym się froncie burzowym otrzymywana ze specjalnych systemów wykrywających zagrożenie piorunowe w najbliższej okolicy, pozwalająca na podjęcie stosownych kroków zapobiegawczych w celu ograniczenia skutków oddziaływania wyładowań atmosferycznych.

Poza istniejącymi systemami detekcji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych, dostarczającymi na zasadach komercyjnych informacji o zagrożeniu piorunowym na rozległych obszarach (np. całych krajów lub kontynentów), na rynku pojawia się coraz więcej niezależnych systemów o zasięgu lokalnym, umożliwiających ostrzeganie przed zagrożeniem piorunowym konkretnych obiektów.

Doceniając znaczenie systemów ostrzegania przed wyładowaniami atmosferycznymi (TWS – ang. Thunderstorm Warning System), a także w celu uporządkowania standardów, jakie powinny one spełniać, w roku 2003 Europejski Komitet Normalizacyjny Elektrotechniki (CENELEC) rozpoczął prace normalizacyjne w tym zakresie. Po niespełna 8 latach pracy w czerwcu 2011 r. CENELEC udostępnił ostateczną wersję wymagań dla systemów TWS w ramach nowej normy EN 50536 Protection against lightning – Thunderstorm warning systems [3]. Dokument został opublikowany we wrześniu 2011 r. jako polska norma PN-EN 50536:2011 Ochrona przed piorunami. Burzowy system ostrzegawczy. W normie zawarto między innymi klasyfikację systemów TWS, ich ogólną charakterystykę, a także przykłady zastosowań.

fazy formowania się frontów burzowych i klasyfikacja urządzeń detekcyjnych
Funkcjonowanie lokalnego systemu ostrzegania przed burzami oparte jest na wiedzy o fizyce wyładowań atmosferycznych. W normie zdefiniowano cztery fazy formowania się frontów burzowych:

• fazę wstępną (faza 1.): gromadzenie się ładunków elektrycznych w chmurach burzowych, powodujące zauważalne zmiany pola elektrostatycznego przy powierzchni ziemi,
• fazę rozwoju (faza 2.): pojawienie się pierwszych oznak aktywności burzowej w postaci wyładowań między chmurami (IC – ang. Intra-Cloud) lub wyładowań doziemnych (CG – ang. Cloud-to-Ground),
• fazę dojrzałości (faza 3.): występowanie wyładowań zarówno typu IC, jak i CG,
• fazę rozproszenia (faza 4.): zanikanie zarówno wyładowań atmosferycznych typu IC, jak i CG przy postępującej redukcji natężenia pola elektrostatycznego do poziomu występującego przy dobrej pogodzie.

W zależności od zdolności wykrywania i rozróżniania poszczególnych faz burzy, urządzenia detekcyjne wykorzystywane w systemach TWS podzielono na cztery klasy.

Urządzenia klasy I wykrywają wszystkie fazy formowania się frontów burzowych umożliwiając ostrzeżenie już przed pierwszym wyładowaniem burzowym, a także przez cały okres, kiedy to zagrożenie występuje. Ich zasada działania oparta jest na pomiarze natężenia lokalnego pola elektrostatycznego, które w warunkach dobrej pogody wynosi około 100…150 V/m, a bezpośrednio przed wyładowaniem może przekraczać nawet kilkanaście kV/m. Nie jest jednak możliwe sprecyzowanie, przy jakim natężeniu pola elektrostatycznego następuje wyładowanie. Zaleca się, aby zakres pomiarowy czujnika wynosił ±20 kV/m z minimalną rozdzielczością 200 V/m. O ile jest to możliwe, system powinien informować również o zmianach natężenia pola w czasie. W związku z tym, iż w praktyce zmiany natężenia pola mogą być rejestrowane, gdy chmura burzowa znajdzie się w odległości około 20 km od czujnika, to urządzenia detekcyjne klasy I stosowane są jedynie w systemach o zasięgu lokalnym.

Do klasy II zaliczono czujniki wykrywające burze na etapie rozwoju poprzez detekcję wyładowań zarówno typu IC, jak i CG (fazy 2–4). Pierwsze wyładowanie doziemne poprzedzane jest często wyładowaniami między chmurami, w związku z tym wcześniejsze wykrycie IC może stanowić ostrzeżenie przed pierwszym wyładowaniem doziemnym. Detekcja obu typów wyładowań prowadzona jest w różnych zakresach częstotliwości: VHF (30–300 MHz) dla IC oraz VLF (3–30 kHz) lub LF (30–300 kHz) dla CG, dzięki czemu możliwe jest ich rozróżnienie.

Klasa III obejmuje urządzenia wykrywające jedynie wyładowania doziemne (fazy 3. i 4.). Detektory tej klasy są w stanie wyeliminować sygnały pochodzące od innych źródeł zakłóceń elektromagnetycznych.

Do klasy IV natomiast zaliczono detektory, których wskazania mogą być zakłócone sygnałami niepochodzącymi od wyładowań atmosferycznych i przyjmuje się, że wykrywają jedynie fazę dojrzałości burzy (faza 3.).