Badania elementów urządzenia pioruchronnego.pdf

URZĄDZENIE PIORUNOCHRONE

Badania elementów urządzenia

piorunochronnego

Andrzej Sowa

Poprawne zaprojektowanie i wykonanie insta-

lacji piorunochronnej staje się sprawą coraz

bardziej skomplikowaną. Rosną wymagania

dotyczące zarówno estetyki jej wykonania, jak

i trwałości oraz pewności działania podczas

bezpośredniego wyładowania piorunowego w

obiekt budowlany. Niestety częste są jeszcze

przypadki lekceważenia zagadnień ochrony

odgromowej oraz traktowania wykonawstwa

instalacji piorunochronnej jako sprawę prostą,

niewymagającą praktycznie żadnego przygo-

towania i doświadczenia .

rowego symulującego przepływ prądu pioru-

nowego.

Oddziaływanie prądu piorunowego

na elementy urządzenia

piorunochronnego

Zwody na dachach oraz, w przypadku obiek-

tów wysokich (ponad 20 m), na ścianach

obiektów budowlanych powinny wytrzymać

zagrożenie jakie występuje podczas przepływ

prądu piorunowego. Zwodami mogą być

przewodzące elementy konstrukcyjne obiektu,

tzw. zwody naturalne , lub przewody umiesz-

czone tylko w celach ochrony odgromowej,

tzw. zwody sztuczne .

Wśród podstawowych przyczyn takiej niefra-

sobliwości należy wymienić:

• niewielkie, w naszym klimacie, prawdopo-

dobieństwo bezpośredniego wyładowania

piorunowego w obiekt budowlany i sto-

sunkowo rzadką weryfikację poprawnego

rozwiązania i wykonania urządzenia pioru-

nochronnego,

W tym drugim przypadku zwody mogą być

złożone z dowolnej kombinacji prętów, poje-

dynczych przewodów lub tworzonych z prze-

wodów sieci. Dobierając elementy do montażu

zwodów należy uwzględnić zagrożenie jakie

wywołuje przepływ prądu piorunowego pod-

czas bezpośredniego wyładowania w obiekt.

W większości typowych obiektów budowla-

nych na bezpośrednie działanie prądu pioru-

nowego narażone są zwody poziome i pio-

nowe niskie .

• przekonanie, że montaż urządzenia pioru-

nochronnego jest prostą sprawą, którą prak-

tycznie może wykonać dowolna firma,

• częste kłopoty finansowe inwestorów w

końcowej fazie budowy obiektu, w której

montowane jest urządzenie piorunochron-

ne, i poszukiwania najtańszych materiałów

oraz wykonawców.

Ocena zagrożenia piorunowego elementów

urządzenia piorunochronnego wymaga okre-

ślenia następujących wartości charakteryzują-

cych prąd piorunowy :

Wzrostowi wymagań stawianych przed pro-

jektantami i wykonawcami musi towarzyszyć

dostępność do różnorodnych i pewnych w

działaniu elementów instalacji piorunochron-

nych. Fakt ten stwarza konieczność tworzenia

nowych wymagań określające zasady badań

poszczególnych elementów instalacji, włącz-

nie z symulację zagrożenia stwarzanego pod-

czas bezpośrednie oddziaływanie prądu uda-

- wartości szczytowej I m

- ładunku przenoszonego przez prąd udarowy

Q imp = ∫ i p dt

-impulsu kwadratu prądu W= ∫ i p 2 dt

(energia właściwa wydzielona przez

prąd piorunowy na rezystancji 1 Ω).

W niektórych przypadkach są wykorzysty-

wane również parametry uzupełniające do któ-

rych należą:

Podczas bezpośredniego wyładowania w elementy

urządzenia piorunochronnego narażone są na:

• erozję termiczną w miejscu kontaktu prze-

wodu z kanałem wyładowania pioruno-

wego,

• czas trwania czoła prądu piorunowego ,

• czas do półszczytu na grzbiecie fali prądu

piorunowego,

• rozżarzenie przewodów wywołane przez

przepływ prądu piorunowego,

• liczba udarów prądowych w wyładowaniu

wielokrotnym.

• działania dynamiczne pomiędzy przewo-

dami, w których płynie prąd piorunowy.

Zalecane przez normy międzynarodowe i eu-

ropejskie, wartości podstawowych parame-

trów charakteryzujących prąd piorunowy w

przypadku czterech poziomów ochrony od-

gromowej zestawiono w tablicy 1.

Podczas bezpośredniego wyładowania w urzą-

dzenie piorunochronne w miejscu styku prze-

wodu z kanałem wyładowania następuje na-

grzanie się metalu co może spowodować jego

erozję.

Tablica 1. Wartości podstawowych parametrów charakteryzujących prąd piorunowy wyładowania

doziemnego

Składowa

wyładowania

Poziom

ochrony

Wartość

szczytowa

Czas

czoła

µ s

Czas do

półszczytu

µ s

Całkowity

ładunek

C **

Ładunek im-

pulsowy

C *

Energia

właściwa

MJ/ Ω

Efektywność

ochrony

pierwsza

składowa

200

350

300

100

150

350

225

5,6

II i IV

100

350

150

2,5

90 i 80

kolejne

składowe

0,25

100

---

37,5

0,25

100

---

III i IV

0,25

100

---

90 i 80

* - Ponieważ zasadnicza część całkowitego ładunku jest zawarta w pierwszym udarze to uznaje się, że poda-

ne wartości zawierają ładunek wszystkich udarów krótkotrwałych,

** - Ładunek całkowity - suma ładunku krótkotrwałego i ładunku składowej długotrwałej prądu.

Erozja termiczna prowadzi do perforacji cien-

kich blach, wytapiania przewodów i ich ewen-

tualnego przerywania.

Krytyczną wartość ładunku wymaganą do wy-

topienia takiej ilości metalu określa równanie

[1,3]:

= π

⋅

W przypadku klasycznego urządzenia pioru-

nochronnego zagrożeniem może być zarówno

rozgrzany przewód jaki i wytopione z niego

krople metalu.

K e – współczynnik erozji,

Określając kryteria opadania kropel wytopio-

nego metali z przewodu przyjęto [1,2,3] , że

wystąpienie tego zjawiska wymaga ubytku po-

łowy masy przewodu na długości równej jego

średnicy.

r - promień przewodu.

Uwzględniając, przedstawione w tablicy 1,

wartości ładunków przenoszonych przez prąd

piorunowy można określić średnice przewo-

dów, w których na skutek erozji termicznej

może wystąpić zagrożenie stwarzane przez

opadające krople metalu.

Tablica 3. Wartości współczynników występu-

jących w równaniu

Przykładowe wyniki obliczeń dla przewodów

stalowych, aluminiowych i miedzianych ze-

stawiono w tablicy 2.

Tablica 2 . Krytyczne wartości ładunku dla

przewodów wykonanych z różnych materiałów

Materiał

Współczynnik

Aluminium

Stal

Miedz

k γ

(

)

2 700

7 700

8 920

Ładunek Q (As)

Średnica

przewodu

c w

(

)

908

469

385

Stal

Miedz

Aluminium

⋅

5 mm

32,72

18,11

9,82

( Ωρ

)

29 10 -9 120 10 -9 17,8 10 -9

6 mm

56,64

31,29

16,96

( K

)

4,0 10 -3 6,5 10 -3 3,92 10 -3

7 mm

89,79

49,70

26,93

8 mm

134,04

74,19

40,21

Wykorzystując przedstawione wartości można

określić przyrost temperatury różnorodnych

przewodów o różnych średnicach przy prze-

pływie prądu piorunowego o kształcie

10/350µs i wartościach szczytowych uzależ-

nionych od przyjętego poziomu ochrony od-

gromowej (tablica 4).

9 mm

190,85

105,63

57,25

10 mm

261,79

144,90

78,53

11 mm

348,45

192,87

104,53

Charakter zmian temperatury przewodów z

różnych materiałów wywołany przez przepływ

prądu udarowego o wartości szczytowej 100

kA i kształcie 10/350 µs [2] przedstawiono na

rys.2.

Obliczone wartości porównano z wartością ła-

dunku impulsowego jaki jest zalecany przy

tworzeniu urządzenia piorunochronnego za-

pewniającego I poziom ochrony odgromowej

(ładunki impulsowe 100As).

Analizując wyniki przedstawione w tablicy 2 i

4 należy stwierdzić, że uniknięcie opadania

kropel metalu lub jego przerwania wymaga

stosowania przewodów o średnicach więk-

szych niż te, które są zalecane przez obowią-

zujące normy krajowe (tablica 5 - [4,5]).

Uniknięcie spadania kropel wytopionego me-

talu wymaga zastosowania przewodów, dla

których krytyczne wartości ładunku są więk-

sze od 100As (obszar zacieniony na tablicy

2.).

Podwyższenie temperatury przewodu o ∆υ

pod wpływem przepływającego prądu pioru-

nowego można wyznaczyć z zależności [1,3]:

Dobierając elementy urządzenia pioruno-

chronnego należy dodatkowo uwzględnić za-

grożenia wywołane przez siły elektrodyna-

miczne wywołane przez rozpływający się prąd

piorunowy (rysunek 3).

⋅

∆

(exp

−

⋅

Siły elektrodynamiczne pomiędzy dwoma

równoległymi przewodami, w których płyną

prądy, opisuje równanie:

gdzie :

ρ - rezystywność metalu (Ω⋅m),

γ - gęstość metalu (kg⋅m -3 ),

c w – ciepło właściwe (J⋅ kg -1 ⋅ K -1 ),

(

)

⋅

(

)

⋅

−

[N]

⋅

gdzie: i 1 · i 2 - chwilowe wartości prądów

płynących w przewodach [A],

α - współczynnik temperaturowy (K -1 ),

S 2 – przekrój przewodu (m 2 ).

a - odstęp między przewodami,

Przybliżone wartości współczynników wystę-

pujących w powyższym równaniu dla różnych

materiałów zestawiono w tablicy 3.

l - długość przewodów ułożonych

równolegle.

Tablica 4 . Przyrost temperatury przewodów przy przepływie prądu piorunowego w zależności

od ich średnicy i materiały z którego są wykonane

przekrój

mm 2

Aluminium

Stal

Miedz

Przyjęty poziom ochrony

III+IV

564

169

542

146

454

1120

143

309

132

283

211

913

211

100

* - wzrost temperatury powoduje eksplozję lub stopienie przewodu.

Tablica 5. Najmniejsze wymiary elementów stosowanych do odprowadzania prądu pioruno-

wego

Rodzaj wyrobu

Materiały (wymiary znamionowe w mm)

stal ocynkowana

cynk

aluminium

miedź

drut

taśma

20 × 3

20 × 4

20 × 3

linka

7 × 2,5

7 × 3

bez wyszczególnienia

50mm 2

70mm 2 *

25mm 2 **

35mm 2 *

16mm 2 **

* , ** - przekroje dotyczą odpowiednio zwodów i przewodów odprowadzających.

F 1

F 2

Rys.3 . Przy-

kłady rozkładu

sił działających

na elementy

instalacji pio-

runochronnej

Rys.2 . Przyrosty temperatury przewodów ( ∅

8mm ) wywołane przez przepływ prądu uda-

rowego o wartości szczytowej 100 kA i kształ-

cie 10/350 µ s.

F 1

Należy zaznaczyć, że działanie sił elektrody-

namicznych na przewody w układach ochron-

nych ogranicza się tylko do krótkiej chwili

czasowej, np. w przypadku prądów udarowych

siły będą działały na przewody tylko przez

kilkadziesiąt – kilkaset µs. Jest to czas zbyt

krótki w porównaniu z wywołanymi przez te

siły drganiami mechanicznymi.

Tablica 6. Podstawowe parametry prądu uda-

rowego stosowanego do badań elementów in-

stalacji piorunochronnej

Klasa Imax

W/R

t d

Wysoka 100 kA ± 10% 2,5MJ/ Ω ± 20% ≤ 2 ms

Niska

50 kA ± 10% 0,63MJ/ Ω ± 20% ≤ 2 ms

Podejmowane są również próby wyznaczania

sił elektrodynamicznych wykorzystując zależ-

ności określające tzw. energię właściwą prądu

udarowego W wynoszącą:

Badane elementy urządzenia piorunochronnego

powinny być narażone na trzykrotny przepływ

prądu udarowego o przedstawionych parame-

trach. Czas pomiędzy poszczególnymi próbami

powinien być na tyle długi, żeby było możliwe

ostygnięcie badanego elementu do temperatury

otoczenia przed kolejną próbą

W =

∫ dt

Jednostkowe impulsy sił są proporcjonalne do

energii właściwej prądu udarowego

Dodatkowo należy przeprowadzić pomiary re-

zystancji styku elementów instalacji pioruno-

chronnej, przy przepływie prądu 10A. Pomiary

powinny być prowadzone możliwie najbliżej

badanego styku, a zmierzona wartość powinna

być mniejsza lub równa 1 mΩ. Zalecenia za-

wierają również układy połączeń, do jakich

należy doprowadzić udar prądowy (rys.4.).

∫

Fdt

= dt

∫

gdzie f jest współczynnikiem proporcjonalno-

ści, którego wartości uzależnione od wzajem-

nego ułożenia przewodów wynoszą odpo-

wiednio :

układ dwu przewodów równoległych (rys3a)

−

⋅

Płaszczyzna

izolacyjna

gdzie : a – odstęp pomiędzy przewodami,

układ przewodu zgiętego (rys.3b)

Prąd

udarowy

−

⋅

500

Badany

element

gdzie : l – długość przewodu liczona od środka

promienia krzywizny,

r – promień krzywizny zagięcia prze-

wodu.

500

Uwzględniając przedstawione zależności i pa-

rametry prądu piorunowego można określić si-

ły działające na przewody i wyznaczyć wy-

stępujące zagrożenie.

Badanie elementów urządzenia piorunochron-

nego

Analizy teoretyczne zjawisk zachodzących

podczas bezpośrednich wyładowań w urzą-

dzenia piorunochronne wykorzystano do opra-

cowania zaleceń określających zakres badań

symulujących w warunkach laboratoryjnych

występujące zagrożenie [7].

Płaszczyzna

izolacyjna

500

2 0

400

100

Źródłem zagrożenia jest prąd udarowy o pa-

rametrach zestawionych w tablicy 6.

Rys. 4. Przykładowe układy połączeń prze-

wodów podczas badań złączek na działanie

prądu udarowego

i 2

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: