Rozwój zasad ochrony odgromowej budowli i ich wyposażenia
Porównanie rozmiarów ograniczników przepięć: a) uszkodzony po burzy odgromnik SN, b) rozmiar ogranicznika przepięć nn
Zagrożenie piorunowe obiektów budowlanych i ich wyposażenia zależy w szczególności od ich właściwości i warunków środowiskowych, w których się one znajdują. Fakt ten determinuje potrzebę powiązania zasad ochrony odgromowej obiektu z jego strukturą, wyposażeniem i otaczającym go środowiskiem. Czyniąc takie założenie należy wnioskować, iż nie da się omawiać rozwoju zasad ochrony odgromowej obiektów budowlanych w oderwaniu od ich strukturalno-wyposażeniowego postępu technologicznego.
Zobacz także
dr inż. Karol Kuczyński Ochrona odgromowa i przeciwprzepięciowa – podstawowe wymagania dla ograniczników przepięć typu 1
Autor omawia wymagania prawne dla ograniczników przepięć typu 1 z przywołaniem wykazu norm technicznych do obowiązkowego stosowania, analizę ryzyka przy projektowaniu ochrony przeciwprzepięciowej oraz...
Autor omawia wymagania prawne dla ograniczników przepięć typu 1 z przywołaniem wykazu norm technicznych do obowiązkowego stosowania, analizę ryzyka przy projektowaniu ochrony przeciwprzepięciowej oraz kwestie przepięć jako kategorii wymogów dla tej ochrony.
dr inż. Mirosław Zielenkiewicz Trwały układ uziomowy współczesnych stacji elektroenergetycznych
W artykule m. in. o tendencjach światowych w zapewnieniu trwałości uziomów stacji elektroenergetycznych, stosowaniu trwałych materiałów na uziomy stacji elektroenergetycznych w Polsce oraz trwałych połączeniach...
W artykule m. in. o tendencjach światowych w zapewnieniu trwałości uziomów stacji elektroenergetycznych, stosowaniu trwałych materiałów na uziomy stacji elektroenergetycznych w Polsce oraz trwałych połączeniach elementów układu uziomowego w gruncie metodą zgrzewania egzotermicznego.
DEHN POLSKA sp. z o.o. Skuteczność zintegrowanych systemów ochrony przed przepięciami o częstotliwości sieciowej (POP) w instalacjach niskiego napięcia
Powszechna obecność wrażliwych urządzeń elektronicznych we współczesnych instalacjach niskiego napięcia modyfikuje wymagania w zakresie ich ochrony. Podczas gdy zagrożenia wywołane przejściowymi wyładowaniami...
Powszechna obecność wrażliwych urządzeń elektronicznych we współczesnych instalacjach niskiego napięcia modyfikuje wymagania w zakresie ich ochrony. Podczas gdy zagrożenia wywołane przejściowymi wyładowaniami atmosferycznymi są powszechnie uwzględniane w procesach projektowych, poważny problem eksploatacyjny stanowią długotrwałe wzrosty napięcia o częstotliwości sieciowej. Tradycyjne ograniczniki chroniące przed przepięciami atmosferycznymi i łączeniowymi (SPD) okazują się wobec nich nieskuteczne....
W artykule:• Podstawy formalne ochrony odgromowej• Wybrane postanowienia i zasady ochrony • Zasady i postanowienia dotyczące LPS • Zasady i postanowienia dotyczące SP |
Historia obserwacji wyładowań atmosferycznych oraz ich skutków rozpoczęła się zapewne jeszcze w okresie poprzedzającym naszą erę, jednak dopiero w XVIII wieku dokonał się przełom w dziedzinie ochrony odgromowej. Wówczas postawiony został milowy krok ku wdrożeniu realnej ochrony przed skutkami wyładowania atmosferycznego. Pewien ustalony stan wiedzy trwał aż do XX wieku, który wprowadził dynamikę technologiczną sprawiającą, iż obiekty stały się mniej wrażliwe zjawisko wyładowania atmosferycznego niż ich wyposażenie, a używane środki ochrony coraz bardziej skomplikowane.
Ewolucja technik budowlanych
Zapoczątkowanie budownictwa przed naszą erą związane jest z pojawieniem się osadniczego trybu życia człowieka, wówczas bez żadnej profesji zawodowej. Z czasem przyjmowało ono różne formy materiałowo-architektoniczne, opierając się na dostępnych w danym okresie wiedzy i materiałach: ziemianki, szałasy, dolmeny, budowle grobowe (rys. 1.).
Rys. 1. Pierwsze budowle: a) ziemianki i szałasy, b) dolmeny i budowle grobowe
Zbierając doświadczenie człowiek rozwijał techniki budowlane, co pozwalało mu konstruować bardziej zaawansowane architektonicznie formy. Pod koniec XIX wieku i później możemy obserwować eksplozję złożonych konstrukcji opartych na nowoczesnych materiałach (rys. 2a). Niektóre budowle przybierając formy trudne do sklasyfikowania w aspekcie ochrony odgromowej, jak przykłady przedstawione na rysunku 2b.
Rys. 2. Nowoczesne technologie w budownictwie: a) wieża Eiffla (1889 r.), b) siedziba firmy produkującej koszyki (USA)
Niewątpliwie obiekty budowane w dawniejszych czasach były bardziej zagrożone wystąpieniem pożaru jako skutku bezpośredniego wyładowania piorunowego, niż obiekty technologicznie późniejsze. Przełom nastąpił u schyłku XIX i początku XX wieku – używane do budowy materiały oraz technologia ich montażu stały się bardziej odporne na działanie prądu piorunowego. Równolegle można stwierdzić, że za to wyposażenie tych obiektów stawało się coraz bardziej wrażliwe. Z tego względu tematem badań piorunowych są nie tylko szkody powstałe w efekcie bezpośredniego trafienia, ale również zakłócanie pracy urządzeń na skutek wyładowań pobliskich. Problem wrażliwości urządzeń, ze względu na postęp technologiczny w zakresie elektroniki, ale również na coraz większy jej udział i znaczenie w życiu codziennym człowieka, staje się coraz bardziej złożony i nabiera coraz większego znaczenia.
Podstawy formalne ochrony odgromowej
Zapewnienie prawidłowej i skutecznej ochrony odgromowej od strony formalnej wymaga stosowania właściwych procedur w doborze środków ochrony uwzględniających aktualne, podstawowe i pokrewne normy i przepisy. Są to Prawo budowlane, Kodeks Cywilny i Ustawa o normalizacji, a w szczególności Rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie: „Warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie” [1] oraz „Szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego” [2].
Zgodnie z §53 ust. 2 „Warunków Technicznych” [1] budynki wyszczególnione w Polskiej Normie należy wyposażać w urządzenia piorunochronne, a ponadto, zgodnie z §184 ust. 3 wyposażenie to powinno być absolutnie zgodne z postanowieniami zawartymi w Polskiej Normie.
Oznacza to, że:
- stosowanie Polskich Norm, uznanych przez PKN za aktualne, jest obligatoryjne,
- stosowanie wszelkich innych norm jest wykluczone.
Wymagania te są jednak niestety tylko teoretyczne, gdyż wbrew obowiązującym „Warunkom technicznym” wykorzystuje się rzekomą wyższość „Ustawy o normalizacji” i bez żadnych przeszkód stosuje się dowolne normy, w tym francuską pseudo „normę ESE” NFC 17-102.
Naukowość normatywnych zasad ochrony odgromowej nie budzi zastrzeżeń, ale niektóre postanowienia są nazbyt uogólnione i mało precyzyjne, co w niektórych przypadkach prowadzi do niewłaściwości w ocenie zagrożenia i w konsekwencji doborze środków ochrony. Z praktyki wynika, że niektóre postanowienia normatywne wymagają modyfikacji lub uściśleń i zostaną one omówione w dalszej części niniejszych rozważań. Dotyczą one w szczególności: oceny piorunowego zagrożenia obiektu, właściwego powiązania poziomu ochrony obiektów z ich właściwościami i doboru oraz instalowania niektórych środków ochrony.
Wybrane postanowienia i zasady ochrony oraz ich modyfikacje
Zasady i postanowienia dotyczące oceny ryzyka
Ryzyko ujmujące szkody i straty obiektu w ciągu roku, jest wyznaczane z zależności:
Wzór 1
Zakładając, że t = 1 rok, a iloczyn NPL << 1, przyjęto zależność [3]:
Wzór 2
gdzie:
N – liczba groźnych zdarzeń (przy trafieniach S1, S2, S3, S4 wg [3],
P – prawdopodobieństwo uszkodzenia przy 1 zdarzeniu,
L – wynikająca szkoda.
Wyodrębniono również 8 komponentów RX (x=A, B, C, M, U, V, W, Z) o wartości wynikającej z iloczynu:
Wzór 3
Należy w tym miejscu wyjaśnić, że idea szacowania ryzyka, zgodnie z zależnością (1), została zapoczątkowana w Instytucie Wielkich Mocy i Wysokich Napięć Politechniki Warszawskiej rozprawą habilitacyjną prof. Zdobysława Flisowskiego z 1980 r. Opracowywane na jej podstawie kolejne publikacje skłoniły członków komitetu technicznego TC 81 IEC do wprowadzenia koncepcji ryzyka do opracowywanej wówczas serii norm IEC (6)1024 (aktualnie serii IEC 62305 [4] [3] [5] [6]).
Koncepcją tą zostały objęte założenia teoretyczne i analityczne wykorzystywanych później wzorów wraz z elektrogeometrycznym modelem wyładowania piorunowego. Następne modyfikacje, dokonywane przez członków tego komitetu (np. przez wprowadzenie względnych strat L), w myśl wypowiedzianej przez jednego z członków zasady „Risk is Money”, skomplikowały tę koncepcję.
Relacje między komponentami a zdarzeniami piorunowymi są następujące:
- RA i RU – porażenie istot żywych, przy trafieniu S1 i S3,
- RB i RV – szkody fizyczne, przy trafieniu S1 i S3,
- RC i RW – przepięciowe szkody urządzeń, trafienie S1 i S3,
- RM i RZ – jw. lecz przy trafieniu S2 i S4.
Niestety, opracowując normę zignorowano trafienia oddziałujące jednocześnie np. na linię i na obiekt oraz uogólniono wpływ otaczającego środowiska na zasięg oddziaływań (tab. 1.) [7].
Tabela 1. Współczynnik środowiskowy CD
Każdy komponent RX wymaga oszacowania: liczby groźnych zdarzeń NX, prawdopodobieństwa uszkodzeń PX i straty LX.
Wartość NX wynika z zależności:
Wzór 4
gdzie:
NG – gęstość wyładowań atmosferycznych na danym terenie,
AX – powierzchnia zbierania wyładowań przez obiekt,
CD – współczynnik położenia (środowiska) obiektu.
Przy szacowaniu powierzchni AX = AD obiektu odosobnionego i położonego na równinie, nie ma problemu. Problem zaczyna się, gdy obiekt znajduje się w innym środowisku, np. w takim jak uwidoczniony w tabeli 1.
Rys. 3. Wyodrębnione przypadki trafień: a) w obiekt S1, b) obok obiektu S2, c) we wchodzącą do niego linię S3, d) obok tej linii S4
Wówczas powierzchnię tę należy pomnożyć przez odpowiednią wartość współczynnika środowiskowego CD. Jednak środowisko obiektu jest tu sprecyzowane bardzo ogólnie i niewłaściwy jego wybór może prowadzić do znacznych błędów, co wskazuje na potrzebę zastosowania indywidualnej oceny analityczno-graficznej [8], którą ilustrują przykłady z rysunku 4.
Rys. 4. Ilustracja analityczno-graficznej oceny powierzchni równoważnej: a) obiekt otoczony drzewami, b) obiekt na krańcu wzgórza, c) paraboliczna zależność krotności mh od wysokości obiektu h
W ocenie indywidualnej można dokładnie uwzględnić usytuowanie i rozmiary poszczególnych elementów środowiska, jak również paraboliczną zależność, zilustrowaną na rysunku 4c, zasięgu równoważnej powierzchni obiektu mh od jego wysokości h [9], uzmienniając wartość m wg wzoru:
Wzór 5
Normatywna wartość m = 3. Uzmienniając ją, wg wzoru (4.5) i przyjmując dla obiektu (rys. 4a) na terenie płaskim następujące dane: a = 15 m; b = 10 m; h = 10 m; hd = 15 m i d = 10 m, otrzymuje się normatywną powierzchnię AD = 1119 m2, która w rzeczywistości powinna być równa zeru, gdyż obiekt znajduje się w obszarze zbierania okolicznych drzew. Jeżeli odległość d zwiększy się do 28 m to rzeczywista powierzchnia wzrasta do wartości AD = 1960 m2. Różnica między normatywna powierzchnia a rzeczywistą sięga tu wartości 43%. Podobnie jest w przypadku obiektu na wzgórzu (rys. 4b), gdzie normatywna powierzchnia ma wartość AD = 28920 m2. Jeżeli ta powierzchnia jest w całości płaska, jak po prawej stronie na rysunku 4b, to ma w rzeczywistości taka samą wartość, jak na terenie równinnym, czyli o połowę mniejszą niż na terenie górzystym. Przesunięcie obiektu do zbocza jak po lewej stronie na rysunku 4b to rzeczywista powierzchnia będzie większa od normatywnej o 15%.
Podobna sytuacja dotyczy wprowadzanych do obiektu linii, gdzie stosuje się normatywny współczynnik Ce z podziałem na środowisko: wiejskie (Ce = 1), podmiejskie (Ce = 0,5) i miejskie (Ce = 0,1). Na rysunku 5. Pokazano, jak łatwo jest o mylną kwalifikację, która prowadzi do błędu sięgającego aż 500%.
Rys. 5. Obrazy środowiska: a) wiejskiego, b) podmiejskiego, c) miejskiego
Drugi czynnik, decydujący o wartości ryzyka RX, a więc prawdopodobieństwo wystąpienia szkody PX, przyczynia się również do pewnych nieścisłości. Problem tkwi w tym, że wprowadzone piorunowe poziomy ochrony LPL I, II, III i IV oraz tożsame z nimi klasy LPS zostały powiązane z krytycznymi parametrami wyładowań piorunowych (tab. 2.) bez powiązania z właściwościami obiektu.
Tabela 2. Normatywne powiazania klas LPS z prądami krytycznymi i współczynników redukcyjnych z tymi klasami
Rezultatem jest to, że przystępując do wyznaczania współczynników redukcji prawdopodobieństwa PX, wg tej tabeli, brak jest jakichkolwiek podstaw do wyboru klasy LPS.
Aby zapewnić właściwy dobór LPL obiektu (klasy jego LPS), a przez to dokonać również właściwego doboru współczynników redukujących prawdopodobieństwo uszkodzeń PX, należy bezwarunkowo ustalić wcześniej poziom LPL (klasę LPS) na podstawie właściwości rozpatrywanych obiektów, na przykład wg. takiego powiazania, jak w tabeli 3.
Tabela 3. Powiązanie typowych obiektów z normatywnymi poziomami ochrony (LPL)
Wreszcie trzeci i ostatni czynnik, jakim jest względna strata LX powodowana przez szkody piorunowe. Prowadzi on w ocenie ryzyka RX do równie dużych błędów sięgających 100 %. Przykładem może być względna strata LX = 0,02, która w niewielkim szpitalu, np. z 50 pacjentami, oznacza porażenie 1 z nich, ale w większym szpitalu, np. z 500 pacjentami, oznacza porażenie 10 z nich. A zatem identyczna wartość względna strat w nieporównywalnych obiektach prowadzi, w większych z nich, do niedoszacowania strat rzeczywistych. Jest to nieprawidłowość wymagająca:
- usunięcia wartości LX z zależności ryzyka R,
- dokonywania oceny prawdopodobnych strat rzeczywistych.
Normatywną kompozycją ryzyka nie jest suma wszystkich komponentów:
Wzór 6
lecz suma komponentów dobieranych wg źródła lub typu uszkodzenia. Nic jednak nie przeszkadza, by w każdym przypadku szacować wszystkie komponenty, wg iloczynu NXPXLX, i rezygnować z tych, które mają pomijalne wartości. Na przykład, jeżeli szacowanie ryzyka, wg wzoru (6), przynosi następujący rezultat:
Wzór 7
to wiadomo, że decydujące jest tu ryzyko utraty życia.
Wobec niejednoznaczności w szacowaniu względnych strat LX należy z tego szacowania rezygnować, pozostając przy ocenie komponentów prawdopodobieństwa NXPX, lub inaczej ryzyka uszkodzenia obiektu w ciągu roku RX = NXPX (zgłoszoną ostatnio propozycję nazwania RX częstością uszkodzeń należy uznać za niesłuszną).
Jak wiadomo, obiektowi niechronionemu przypisuje się wartość PX = 1. Normatywne środki ochrony redukują tę wartość w stopniu określonym przez wspomniane już współczynniki. Należy przy tym pamiętać, że jedno groźne zdarzenie może powodować n uszkodzeń, co należy uwzględnić stosując zależność:
Wzór 8
Znając prawdopodobieństwo uszkodzeń i ich rodzaj można ocenić straty, a ich konfrontację z kosztami środków ochrony uznać za kryterium ich zastosowania.
Zasady i postanowienia dotyczące LPS
Obiekty zaliczone do LPL I i LPL II powinny być wyposażone w urządzenia piorunochronne bezwarunkowo. Obiekty zaliczone do LPL III i LPL IV powinny być wyposażone w urządzenia piorunochronne, ale w wątpliwych przypadkach (np. gdy są to obiekty małe, osłonięte itp.) należy to uzależnić od wartości ryzyka ich zagrożenia. Rozmieszczanie zwodów powinno następować zgodnie z danymi. Podane w niej kąty α>25° powinny być w praktyce weryfikowane metodą toczącej się kuli. Należy też pamiętać, że wysokość zwodu h powinna być wymiarowana od powierzchni ziemi. Wyżej położona powierzchnia może być uznana za powierzchnię odniesienia tylko wtedy, gdy jest przewodząca i uziemiona. Wyjaśniono to w tabeli 4.
Tabela 4. Dane do rozmieszczania zwodów
Absolutnie wykluczone jest stosowanie zwodów aktywnych, tzw. ESE – ang. Early Streamer Emission. Powodem ich wykluczenia jest:
- całkowity, uzasadniony naukowo i praktycznie, brak przypisywanej im skuteczności,
- wzrost zagrożenia obiektu i jego wyposażenia przez przechwytywane i niewłaściwie odprowadzane do ziemi wyładowania.
Przewody odprowadzające powinny być rozmieszczone wokół obiektu zgodnie z danymi z tabeli 5. i powinny być zainstalowane co najmniej dwa.
Tabela 5. Dane do rozmieszczania przewodów odprowadzających
Rys. 6. Różne strefy zwodu Z: A – chronione urządzenie na przewodzącym lub nieprzewodzącym dachu budynku B z instalacją C
Prawidłowe rozmieszczanie elementów LPS i przewodów innych instalacji obiektu wymaga wzajemnej koordynacji, a niestety często jest to ignorowane, co uwidoczniono na rysunku 7.
Rys. 7. Przykłady braku koordynacji przewodu odprowadzającego z innymi instalacjami
Ważnym elementem LPS są uziomy. Powinny one być dostosowane do charakteru obiektu i przeliczone w projekcie w należyty sposób [10] [11]. Najprostszą ich formę stanowią pionowo lub poziomo umieszczane w ziemi połączone ze sobą pręty metalowe. Zalecane jest stosowanie uziomów otokowych, fundamentowych i usieciowanych oraz wykorzystywanie w tym celu zbrojenia betonu przewodzącego. Rezystancja uziemienia nie powinna być większa niż 10 Ω, ale decydujące są tu normatywne wymiary uziomów w powiązaniu z ich układem i rezystywnością gruntu.
Omawiając zasady stosowania LPS należy również wspomnieć o formalnościach projektowych urządzeń ochrony odgromowej i ich odbiorach, a także całkowitym braku formalnych profesjonalistów ochrony odgromowej w Polsce. Normatywne formalności przygotowawcze i projektowe wymagają dokonania uzgodnień właściciela obiektu i projektanta ochrony odgromowej z architektem, zakładami użyteczności publicznej, władzami pożarnictwa i bezpieczeństwa oraz wykonawcy prac budowlanych i instalacji (w tym urządzeń elektronicznych i anten zewnętrznych). Zatem niezbędne jest prowadzenie bieżących uzgodnień i kontroli tras, połączeń oraz wszelkich zmian, ustalanie zakresów odpowiedzialności stron za zaistniałe nieprawidłowości, przestrzeganie procedur odbioru urządzenia, jak również przestrzeganie procedur użytkowania obiektu. Brak formalnych specjalistów z zakresu ochrony odgromowej powoduje, iż nieprofesjonalny inspektor nadzoru budowlanego np. odbiera nieprawidłowo zainstalowane urządzenia (rys. 7a, 7b) czy akceptuje dewastowanie urządzeń, np. w wyniku ocieplania budynków (rys. 7c, 7d).
Zasady i postanowienia dotyczące SPD
Są to problemy złożone, a ich rozwiązywaniu nie sprzyja wspomniany już brak formalnych specjalistów oraz duży bałagan w postanowieniach normatywnych. Zagmatwania normatywne [12] wynikają z niekonsekwentnych i niejednoznacznych zmian w takich pojęciach i symbolice, jak:
- kategoria przepięć (I, II, III, IV) i klasa SPD (D, C, B, A),
- typ strukturalny SPD (iskiernik, warystor, kombinacja),
- klasa probiercza SPD (I, II, III) i typ SPD (1, 2, 3),
- symbole (T1, T2, T3) oraz (TI, TII, TIII).
Niedorzeczności normatywne, takie jak mieszanie typu z klasą probierczą SPD czy przypisanie mu większej liczby typów, np. T1+T2, doprowadziły do utraty wiarygodności tabliczek znamionowych warystorowych urządzeń, dla których niewłaściwie sugeruje się, że T1 oznacza ich odporność na prądy o wartości z tabeli 6., a T1+T2 jest podwójną odpornością.
Tabela 6. Standardowe powiązanie Iimp z klasą LPS
Specjalista elektryk powinien wiedzieć, że SPD odporne na udar 10/350 μs jest automatycznie odporne na udar 8/20 μs. Uniezależnienie klasy probierczej i typu SPD od jego struktury z oznaczeniem go symbolem T1, było chyba świadomym działaniem w nadziei, że prąd o wartości zbliżonej do tej z tabeli 6. może zdarzyć się tylko wyjątkowo. SPD powinny być instalowane na wejściu do obiektu (tj. na granicy LPZ 0/1 lub w złączu instalacji) i na ogół dodatkowo na zaciskach chronionego urządzenia.
Podsumowanie i wnioski
Przeprowadzone rozważania pozwalają stwierdzić, że postanowienia normatywne są zbyt uszczegółowione i niejednoznaczne oraz wymagają dużej fachowości wdrożeniowej. Fachowe wdrożeniowe postanowień wymaga, aby:
- każdy obiekt i jego środowisko były traktowane indywidualnie,
- poziom ochrony/klasa LPS wynikały z właściwości obiektu,
- elementy LPS były dobrane i rozmieszczone wg ich klasy,powierzchnia odniesienia zwodu była przewodząca i uziemiona,
- złącze instalacji było wyposażone w iskiernikowy SPD o odporności prądowej dostosowanej do klasy LPS i do liczby przyłączonych obwodów, a jego poziom ochrony UP był skoordynowany z kategorią przepięć UW chronionych urządzeń,
- chronione urządzenie miało przy zaciskach dodatkowy SPD, gdy SPD w złączu nie spełnia warunku UP≤0,5UW.
Tak zaprojektowaną ochronę należy zweryfikować dokonując normatywnej analizy ryzyka uszkodzenia obiektu.
