Kryteria teoretyczne oceny działania zwodów typu ESE - ORW-ELS.

Kryteria teoretyczne oceny działania zwodów typu ESE - ORW-ELS.

Adam Skopec, Eugeniusz Smycz, Czesław Stec
Kryteria teoretyczne oceny działania zwodów typu ESE
w ochronie odgromowej
- potwierdzenie eksperymentalne analizy teoretycznej
piorunów. W tym celu proponował stosowanie róŜnych
zabiegów np. latawców itp. Pomimo Ŝe pierwotne
zamierzenie nie było moŜliwe do zrealizowania, to
korzystnym efektem eksperymentów
było praktyczne
ukierunkowanie rozładowania przez zastosowanie zwodów
pionowych jako piorunochronów. Z wielu pomysłów i
wysiłków odkrywcy poŜyteczną role ochronną spełniają one
do chwili obecnej. Ograniczyło to radykalnie zniszczenia
powstające wcześniej na przestrzeni wieków w wyniku
poŜarów całych dzielnic wielu miast (Kolonia, Wrocław i
innych).
Od czasu B. Franklina obowiązuje niekwestionowany
Jego pogląd, Ŝe wyładowanie atmosferyczne rozwija się na
powierzchni ziemi w postaci niezupełnych wyładowań jako
tak zwane wczesne strimery lub bardziej zaawansowanej
formie
lidera, co stanowi niejako przygotowanie do
głównego uderzenia pioruna, które w pełni rozwija się od
chmury. Faza pierwsza wstępna moŜe być poprawnie
opisana
równaniami
pola
quasi-elektrostatycznego,
natomiast rozwój zjawisk fazy głównej wymaga opisu
elektrodynamicznego.
Fakt istnienia fazy pierwszej umoŜliwia sformułowanie
względnie prostego modelu matematycznego, co następnie
stanowi podstawę poszukiwania konstrukcji róŜnych
rodzajów zwodów typu ESE (Early Streamer Emission).
W latach końcowych XX wieku technika ESE w etapach
wcześniejszych rozwijała się w klasie tak zwanych
piorunochronów aktywnych o róŜnorodnej zasadzie
działania (np. w których wykorzystywane były pierwiastki
promieniotwórcze, komory jonizacyjne itp.).
W opracowaniu niniejszym rozwaŜania dotyczyć będą
jedynie konstrukcji zwodu z wykorzystaniem odkrytego w
połowie
XIX
w
(1852
r)
zjawiska
indukcji
elektromagnetycznej
M.
Faradaya.
W
aspekcie
klasyfikacyjnym z teorii obwodów w badanym obiekcie
występują tylko elementy pasywne (kondensatory,
induktory) i zaliczanie ich do układów aktywnych jest
błędne. Właściwe byłoby skrótowe oznaczenie a
jednocześnie oddające ideę działania tego zwodu jako
ESE(FF+) (Franklin+ Faraday).
W obszarze literatury francuskiej przyjęta jest nazwa
bardziej właściwa PDA (Paratonnerre à Dispositif
d’Amorçage)
oznaczająca
zwody
z
układem
wspomagającym. Wspomaganie to odbywa się przez
wykorzystanie energii magnetycznej gromadzonej w cewce.
W literaturze [3, 4 ,5] podawane są krytyczne oceny lub
wprost kontrowersyjne i negatywne opinie o skuteczności
działania zwodów typu ESE. Formułowane zastrzeŜenia nie
są uzasadnione i wynikają raczej z niepełnego zrozumienia
fizycznej zasady działania zwodów ESE.
W wcześniejszych opracowaniach [1, 2] sformułowano
równania
teoretyczne
badanego
modelu
oraz
przedstawiono podstawy fizyczne działania zwodów tego
typu.
Celem niniejszego opracowania jest przedstawienie
dodatkowych aspektów teoretycznych i wynikających stąd
Wstęp
Badanie zjawisk wyładowań atmosferycznych naleŜy do
najbardziej złoŜonych problemów nauki i techniki w
szerokim ujęciu interdyscyplinarnym. Wynika to z wpływu
niezmiernie wielu czynników przyczynowo skutkowych na
powstawanie i rozwój zjawisk tworzenia się elektryczności
atmosferycznej w tym szczególnie gromadzenia się ładunku
elektrycznego i jego róŜnych form rozładowania.
Problematyka ochrony odgromowej stanowi coraz
szerszy i waŜniejszy zakres zagadnień zarówno w sensie
teoretycznym jak równieŜ zastosowań praktycznych.
Wraz z postępem cywilizacyjnym i technologicznym
wzrastają zagroŜenia dla człowieka oraz jego materialnego
otoczenia wynikające z wyładowań atmosferycznych. W
coraz większym stopniu wzrasta
potrzeba ochrony
obiektów gabarytowo duŜych (zbiorników paliw, hangarów
lotniczych), jak równieŜ obiektów wysokich. Szczególnie
waŜne jest zapewnienie niezakłóconego działania łączy
informatycznych. Powstaje potrzeba skutecznej ochrony
wszelkiego typu masztów telewizyjnych, masztów telefonii
komórkowej, anten satelitarnych. W tym przypadku ochrona
winna zapewniać selektywną lokalizację punktów uderzenia
pioruna w taki sposób by skutki jego działania nie
powodowały uszkodzenia chronionej aparatury.
Z uwagi na wartość chronionych obiektów wrasta
potrzeba ochrony bardziej niezawodnej. PoniewaŜ nie
moŜna praktycznie zapewnić 100% ochrony, to jednak
powinna ona zapewniać ochronę o znacznie obniŜonym
poziomie ryzyka (ustalany kaŜdorazowo dla chronionego
obiektu).
Wprowadzenie
Zjawisko pioruna towarzyszy człowiekowi od zarania
jego dziejów. Uczucie trwogi i zagroŜenia jakie wywołuje
zjawisko pioruna w Ŝyciu współczesnego człowieka w chwili
obecnej, dla człowieka pierwotnego było objawem działania
sił nadprzyrodzonych a jego tajemniczość i bezsilność
wobec potęgi sił przyrody rodziła jedynie potrzebę
przystosowania się w obrzędach kultu i mitu. W aspekcie
antropologicznym zakłada się, Ŝe zjawisko pioruna spełniło
teŜ swoją pozytywną rolę w rozwoju człowieka. Rola ta
wyraŜała się przede wszystkim tym, Ŝe był dostępnym
źródłem ognia, a ten w sposób decydujący wpłynął na
rozwój człowieka. Z naczelnych tylko homo sapiens był
zdolny wykorzystać ogień jako istotny naturalny czynnik w
rozwoju biologicznym. Zostało to pięknie wyraŜone w
mitologii greckiej w podaniu o Prometeuszu, który kradnąc
ogień bogom by oddać ludziom dla ich dobra zapłacił
wiecznym cierpieniem
Przełomowym historycznym faktem w ujarzmieniu sił
przyrody jakimi są wyładowania atmosferyczne było
pionierskie odkrycie piorunochronu w połowie XVIII wieku
(1752 r.) przez B. Franklina. Pierwotnie eksperymenty
wynalazcy
miały
zapewniać
niedopuszczenie
do
naładowania elektrycznego chmur w celu eliminacji
1
Opis fizycznej zasady działania zwodu ESE
W celu wyjaśnienia podstawowej zasady działania
zwodu ESE rozpatrzmy układ płaski elektrod (chmuraziemia) wytwarzający pole elektryczne o natęŜeniu E0
(równomierne) jak przedstawiono na rysunku (rys.2).
W przestrzeni między elektrodami umieszczamy zwód o
kształcie sfery o promieniu r której środek jest połoŜony
względem ziemi na wysokości h. Rozkład pola ulega
zmianie.
W podstawowym kursie teorii pola elektrycznego
rozwiązywane jest równania Laplace’a
[2] dla sfery
samotnej nie naładowanej Q0=0 w polu równomiernym o
natęŜeniu E0 . wyznacza się maksymalne natęŜenie pola na
powierzchni EM=3 E0
interpretacji mechanizmów fizycznych, oraz
związków
przyczynowo skutkowych w inicjacji i rozwoju wyładowania
w zwodach ESE..
W dalszej części niniejszego opracowania bardziej
szczegółowo przedstawiona będzie pełna odpowiedź na
zgłaszane zastrzeŜenia oponentów.
W części końcowej opracowania zamieszczono wyniki
badań laboratoryjnych.
Obecnie korzystnym dla zastosowania w ochronie
odgromowej techniki zwodów ESE jest wydanie nowej
normy francuskiej [10], która uwzględnia wyniki opracowań
teoretycznych i standaryzuje wymagania w zastosowaniu
zwodów ESE w ochronie odgromowej. .
Sformułowanie modelu (schemat zastępczy)
chmura
Ua
Modelowanie jako metoda analizy polega na
odwzorowaniu badanego obiektu układem zastępczym
(modelem) z zachowaniem podstawowych istotnych cech
badanego obiektu. W modelowaniu wykorzystane są
modele naturalne (makiety w zmienionej skali), modele
analogowe (analizatory)
modele cyfrowe (programy
komputerowe).
W
aspekcie
oceny
dokładności
modelowania są do wyboru dwa sposoby modelowania::
model dokładny (sam obiekt) i jego analiza przybliŜona, lub
model przybliŜony obiektu przy dokładnej analizie.
Przypadek dokładnego modelu i dokładnej analizy jest
praktycznie nie do wykonania (zgodnie z krytyczną oceną
R. Feinmana nie jest moŜliwe w fizyce sformułowanie tak
zwanej dokładnej teorii wszystkiego).
PrzybliŜony
model
badanego
zwodu
ESE
przedstawiony jest na rysunku w postaci schematu
zastępczego (rys.1).
Pełną i ścisłą analizę modelu jako obwodu RLC
przedstawiono w oddzielnych artykułach [1, 2]. W analizie
wyznaczono przebiegi czasowe zmiany ładunku zarówno
stanie statycznym jak równieŜ przy niestacjonarnym
naroście potencjału chmury.
Em0
h
C0
E0
Em2
Em(FRA)
Q0=-Ca Ua
Em(ESE)
Qm=km Q0
Up
h
sem
cewki
-Up
ziemia
ziemia
FRA
IZO
ziemia
ESE
Rys.2 Ładunek zwodu izolowanego (IZO) Q=0, Ładunek zwodu
Franklina Q0, ładunek zwodu ESE Qm=km Q0
Parametrem charakteryzującym rozkład pola na
powierzchni zwodu jest lokalny współczynnik koncentracji
pola określony wzorem
(1)
kE =
Em
E0
E0
gdzie:-Em
oznacza natęŜenie maksymalne pola
elektrycznego na powierzchni zwodu (pionowa składowa
normalna) -E0 oznacza natęŜenie pola w nieskończoności
(na powierzchni chmury).
Ci
Wykonajmy teraz połączenie powierzchni sfery z ziemią.
Przeprowadźmy
przybliŜoną
ocenę
współczynnika
koncentracji po połączeniu. PoniewaŜ znajdowała się ona
na potencjale
Q
i
Em1
Em(IZO)
r
Ca
u
chmura
Ua
E0
E0
chmura
Ua
chmura
Ua
t=0
Vh = h E0
L
sfera zostaje doładowana ładunkiem
Qm = CVh = 4π ε 0 r h E0
R
NatęŜenie pola w punkcie M wyznacza się teraz z prawa
Coulomba
ziemia
EM =
Rys.1 Schemat zastępczy modelu i jego parametry podane w [1]
Jako warunek początkowy w chwili
wartości
Ca
u (0) =
≈ h E0 ,
Ca + C0
QM
4π ε 0 r 2
Stąd współczynnik koncentracji po podstawieniu do (1)
otrzymuje się w postaci wzoru
(t=0) zadane są
kE =
Q (0) = 0
h
r
Bardziej dokładna wartość wyprowadzona w [1]
wyraŜa się wzorem
Wartości początkowe spełniają istotna rolę w inicjacji i
przebiegu procesu wyładowania .
kE =
h
r
+1+
r
h
Przyjmując np. r=0,25m, h=25m kE ≈100 co oznacza Ŝe
natęŜenie pola na powierzchni zwodu Franklina jest 100
razy większe niŜ na powierzchni chmury. Oczywiście jeŜeli
2
ono przekroczy natęŜenie wytrzymałości powietrza
następuje rozwój wyładowania.
W przypadku zwodu ESE sytuacja jest nieco odmienna.
JeŜeli potencjał Vh jest dostatecznie duŜy aby zapalić
iskrownik następują na zwodzie oscylacje ładunku a tym
samym i potencjału od wartości +Vh do wartości –Vh (przy
dobroci układu RLC.>20) wywołane sem indukowaną w
cewce. Zwód zostaje doładowany dodatkowym ładunkiem
tak, Ŝe wartość ładunku jaka byłaby przy bezpośrednim
połączeniu zostaje podwojona. Podwojona wartość ładunku
wywołuje dwukrotnie większe natęŜenie i prawie dwukrotnie
większy współczynnik koncentracji pola co moŜe wywołać
inicjację wyładowania w postaci wczesnego strimera lub
lidera (zaleŜy to od biegunowości ujemnej lub dodatniej
biegunowości zwodu). Zazwyczaj przy biegunowości
ujemnej chmury polaryzacja ładunku jest dodatnia (zwód
staje się anodą). W tej sytuacji w otoczeniu zwodu w
procesie
jonizacji
wytworzony jest obszar z duŜą
koncentracją jonów dodatnich (elektrony ze względu na
mała odległość zostają natychmiast przyciągnięte przez
anodę) a więc powstaje kanał jonów dodatnich (obszar
plazmowy) jako lider wyładowania. Dokładnie w takim sam
sposób rozwija się proces wyładowania na zwodzie
Franklina. RóŜnica jaka jest w stosunku do zwodów ESE
polega tylko na przyspieszeniu procesu jonizacji i
wyładowania.
ZastrzeŜenia czynione przez oponentów [3, 4, 5,]
I wyraŜane jakoby napięcie indukowane w cewce zwodu
ESE nie jest na tyle wysokie aby wytworzyć wyładowanie w
postaci lidera nie są argumentami istotnymi. PrzecieŜ na
zwodzie Franklina tworzy się lider na potencjale zero bez
udziału dodatkowego napięcia.
Na podstawie przytoczonych wyŜej uwag jest widoczne
Ŝe celem napięcia indukowanego w cewce (równe zawsze z
przeciwnym znakiem wartości potencjału połoŜenia zwodu)
jest tylko doładowanie dodatkowym ładunkiem czyli
zwiększenie pola w otoczeniu zwodu a więc przyspieszenie
procesu wyładowania. Sam proces wyładowania rozwija się
tak samo jak w zwodzie Franklina z pełną energią
akumulowaną w chmurze.
Porównanie współczynnika
zwodów Franklina i ESE
koncentracji
Teza :
k E ( ESE ) > k E ( FRA)
Dowód:
Z zasady superpozycji wynika, Ŝe natęŜenie pola w
dowolnym punkcie na powierzchni przewodnika jest sumą
wpływu ładunków zewnętrznych i wewnętrznych
E M = E Mz + E Mw = AQz + B Qw
gdzie: A, B stałe, Qz , Qw oznaczają odpowiednio ładunki
zgromadzone na zewnątrz powierzchni przewodnika i na
powierzchni przewodnika.
Przyjmując ze przewodnik jest izolowany i nie naładowany
Qw=0
EM = AQz = E( IZO )
Po połączeniu przewodnika z ziemią Qw=Q0 =-Ca Ua
natęŜenie pola
EM = E( FRA ) = E( IZO ) + BQ0
Z tego związku moŜe być wyznaczona stała B.
B=
lub po przekształceniu
E( ESE ) = E( FRA ) + ( km − 1) ( E( FRA ) − E( IZO ) )
dzieląc stronami przez E0 otrzymujemy związek dla
współczynnika koncentracji
pola
(2)
a)
k E ( FRA ) > k E ( IZO )
b)
km > 1
k E ( ESE ) = k E ( FRA ) + ( k m − 1) ( k E ( FRA ) − k E ( IZO ) )
W powyŜszej zaleŜności uwzględniając załoŜenia a), b)
obydwa nawiasy są dodatnie, a więc widoczne jest
spełnienie nierówności zawartej w tezie.
Udowodnione twierdzenie ma znaczenie zasadnicze dla
ochrony odgromowej przy zastosowaniu zwodów ESE,
wyraŜa jedno z porównawczych kryteriów teoretycznych.
Przykład
W przypadku rozpatrywanego wyŜej zwodu sferycznego
otrzymano wartości kE(IZO)=3, kE(FRA)=100, po podstawieniu
do (2) otrzymujemy
Twierdzenie o współczynniku koncentracji pola
przykładu
Q0
EM = E( ESE ) = E( IZO ) + k m ( E( FRA) − E( IZO ) )
k E ( ESE ) > k E ( FRA )
wyŜej
E( FRA ) − E( IZO )
Stąd wynika, Ŝe przy naładowaniu przewodnika innym
ładunkiem Qm = kmQ0 ≠0 ,natęŜenia pola na powierzchni
przewodnika moŜe być wyraŜone wzorem
Udowodnimy twierdzenie, Ŝe dla współczynnika
koncentracji pola zwodu typu ESE i zwodu klasycznego
Franklina (przy jednakowym kształcie geometrycznym)
spełniona jest nierówność
ZałoŜenie:
Z rozpatrzonego
nierówność
,
była
k E ( ESE ) = 100 + (2 − 1) (100 − 3) = 197
widoczna
Ilustruje to róŜnicę zachowania się zwodu typu ESE i zwodu
Franklin. O ile na zwodzie klasycznym koncentracja pola
na powierzchni zwodu w stosunku do pola wymuszającego
na chmurze jest rzędu 100 razy większa to dla zwodu ESE
jest 197 a więc prawie dwa razy większa niŜ na zwodzie
klasycznym Frankiina.
Teoretycznie wynika stąd Ŝe zwód ESE umieszczony na
wysokości h jest równowaŜny zwodowi klasycznemu
Franklina na wysokości 2h. Stąd przy tym samym stoŜku
ochronnym, powierzchnia chroniona jest cztery razy
większa. Jest to ocena przybliŜona, a szczegółowe wartości
reguluje norma [10].
Nierówność a) była spełniona w rozpatrzonym przykładzie
powierzchni sferycznej k(FRA)=100, k(IZO)=3, równieŜ
zachodzi dla dowolnego geometrycznego kształtu (co
moŜna sprawdzić pomiarowo lub metodą obliczeniową MES
(metoda elementów skończonych), nierówność b) jak
wykazano w [1,2] (km≈2). ZałoŜenia są więc prawdziwe.
3
Wyniki obliczeń
W celu sprawdzenia wyników teoretycznych w
badaniach laboratoryjnych wykonane będą obliczenia przy
zastosowaniu funkcji udarowych napięcia o zadanym czasie
narostu czoła T1 i zadanym czasie pół-szczytu T2
określonej wzorem
2
uu (t ) = U 0 + U m a0  exp(− a1 t / T1 ) − exp(− a2 t / T2 ) 
1.5
W tabeli 1 zestawiono bezwymiarowe parametry a0, a1,
a2 funkcji udarowej dla zadanego stosunku
k=
Tabela 1
k
50
40
30
25
20
15
10
a0
1,0167
1,0212
1,0289
1,0353
1,0454
1,0633
1,1043
T2
T1
1
a1
0,0142
0,0179
0,0241
0,0291
0,0369
0,0503
0,0792
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
Rys4. Wykresy funkcji udarowej T1/T2=650/6500µs/µs, k=10
a2
303,6506
232,0652
163,3939
130,4424
98,6602
68,3483
40,0109
Funkcja zmiany ładunku zgodnie z [2] określona jest
wzorem całki splotowej przy danej reakcji impulsowej Qδ
t
Q (t ) = ∫ Qδ (t − τ )uu (τ )dτ
(3)
0
gdzie
Qδ (t ) =
ω
exp(−α t ) sin(ω0 t )
ω0
Fot.1 Kształt i gabaryty zewnętrzne zwodu typu ESE (Gromostar)
przy czym
1
R
, α=
, ω0 = ω 2 − α 2
2L
LC
ω=
3
Ustalając parametry zwodu na podstawie pomiaru:
L=2,5H, C=0,1nF, R=1500Ω
Obliczona wartość pulsacji oscylacji oraz współczynnik
4 -1
dobroci: ω0=2.10 s , kq=33,3
Na rysunkach (rys.3) (rys.4) (rys.5) przedstawiono
kolejno wykresy reakcji impulsowej, funkcji udarowej
napięcia i funkcji oscylacji ładunku na zwodzie obliczone na
podstawie zaleŜności (3)
2.5
2
1.5
1
4
2
x 10
0.5
1.5
0
1
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
Rys5. Wykresy funkcji oscylacji ładunku (wartości względnej w
stosunku do C U0) przy podanej reakcji impulsowej i funkcji
udarowej wymuszenia 650/6500µs/µs, współczynnik wzmocnienia
pola km=1,46, czas wyprzedzenia ∆T=492µs
0.5
0
-0.5
-1
Badania laboratoryjne
W celu porównania wyników z analizy teoretycznej
przeprowadzono próby pomiarowe napięcia i czasów
wyładowania zwodów ESE i klasycznych Franklina.
-1.5
-2
0
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
Rys3. Wykresy reakcji impulsowej przy L=2,5H,C=0,1nF,R=1500Ω
4
50%
50%
Gen. udarowy
A
Ua
B
h=0
nA=nB=50%
FRA
22,0
ESE
Rys.6 Próba kontrolna zwodu klasycznego i ESE przy h=0
21,0
Zgodnie z podanym wyŜej opisem fizycznym zasady
działania przy h=0 czyli na potencjale zerowym ziemi Vp=0
zwody ESE i Franklina zachowują się identycznie i liczba
uderzeń rozkłada się w badanej serii prawie równomiernie
(nA, nB po 50%). W tym przypadku cewka jest niejako
zwarta i nie moŜe wytworzyć się sem indukowana w
powodująca przepływ dodatkowego ładunku.
Um PDA
20,0
19,0
0
50
100
Rys.6 Wartości pomiarowe napięcia udarowego przebicia UM przy
liczbie prób n=50, Um=20,3 V (mierzone na dzielniku), UM=498 kV
(mierzone między elektrodami)
nA
nB
Gen. udarowy
A
350
300
250
200
150
100
50
0
Ua
B
h>0
Tb PDA
FRA
nA<nB
ESE
Rys.7 Próba kontrolna zwodu klasycznego i ESE przy h>0
0
50
RóŜnica w zachowaniu się zwodu ESE i Franklina
zwiększa się zasadniczo wraz ze wzrostem wysokości
połoŜenia zwodów h >0 jak na rysunku (rys.7). Wielkość
indukowanej sem w cewce jest dokładnie równa wartości
potencjału ( ze znakiem przeciwnym) jaki występuje na
wysokości połoŜenia zwodów, i wymusza przepływ
dodatkowego ładunku tym większego im wyŜej jest
połoŜony zwód. W tym przypadku w przeprowadzonej serii
prób obserwuje się istotną róŜnicę nA<nB
w liczbie
wyładowań ze zwodów Franklina i ESE.
100
Rys.7 Wartości pomiarowe czasu przebicia przy czasie narostu
czoła T= 350 µs funkcji udarowej napięcia przy liczbie prób n=50
Tm=247µs
Fot.2 Zwód typu ESE na stanowisku badawczym i
pomiarowa wyładowania przy napięciu udarowym 540 kV
Próba napięciowa porównawcza:
Dwa piorunochrony ESE (PDA) (GROMOSTAR) ze
zwartym układem wspomagającym zostały umieszczone w
układzie tak jak się bada się piorunochrony w/g normy
francuskiej:
Umiejscowienie
(lokalizację)
zwodów
w
polu
pomiarowym dobrano tak by w serii 30 prób uzyskać
moŜliwie jednakową liczbę wyładowań w obydwa bierne
(nieaktywne) zwody.. Ustawienia tak by moŜna było
uzyskać dokładnie po 15 wyładowań w jeden i drugi zwód
nieaktywny (B) jest trudne do wykonania z uwagi na
przypadkowość wyładowań wynikająca z wpływu innych
czynników ( np. cyrkulacji powietrza). Praktycznie w I serii
uzyskano liczbę wyładowań odpowiednio 13 i 17 oraz w
drugiej próbie 16 i 14.
Następnie nie zmieniając ustalonej konfiguracji usunięto
zwarcie układu wspomagającego z jednego zwodu A (jak
jest widoczne na fot. 3. Otrzymano w serii I na 30 prób
wynik 24 wyładowań w zwód z układem niezwartym
(aktywny A) i 6 w zwód z układem zwartym (nieaktywny B),
oraz w serii II 3 w zwód z układem zwartym (nieaktywny B) i
27 w zwód z układem otwartym (aktywnym A). W trzeciej
próbie uzyskano tylko wyładowania do zwodu w stanie
aktywnym (niezwartym A) . Podczas prób wykonywana była
próba
W zakresie badań laboratoryjnych o charakterze
porównawczym zwodów ESE i Franklina bezpośrednią
informację uzyskuje się w układzie jednoczesnego
wymuszenia
napięcia
udarowego
w
układach
schematycznie przedstawionych jak na rysunkach (rys.6) i
(rys.7).
5
Wnioski i podsumowanie
W ogólnym skrótowym sformułowaniu zwody typu ESE
spełniają następujące zasady:
1) zasada wzmocnienia pola
2) zasada wyprzedzenia czasowego
3) zasada selektywnego wyboru losowego
Udowodnione twierdzenie o kryterium współczynnika
koncentracji pola dotyczy porównania ich działania ESE i
Franklina w jednym zlokalizowanym miejscu i czasie.
Zasada wyboru losowego umoŜliwia
stosowanie
metody toczącej się kuli do wyznaczania stref ochrony, pod
warunkiem dodatkowego uwzględnienia parametrów
wynikających z zaleceń normy [10]
regulacja parametrów eksploatacyjnych. Wyniki pomiarów
napięcia i czasu wyładowań zestawiono w tabeli 2.
Zakończenie
Przedstawione wyniki analizy teoretycznej potwierdzają
waŜne w zastosowaniach cechy zwiększające skuteczność
zwodu typu ESE w stosunku do zwodu klasycznego
Franklina.
Przeprowadzone
badania
laboratoryjne
potwierdzają wnioski teoretyczne.
NaleŜy
kontynuować
badania
laboratoryjne
mechanizmów wyładowania, z uwzględnieniem funkcji
udarowej napięcia przy róŜnych czasach narostu czoła
T1/T2 i czasu pół-zaniku W opracowaniu ograniczono się do
standardowej wartości (350 –650) µs.
W celu pełnego oszacowania skuteczności ochrony
niezaleŜnie od przeprowadzonych analiz teoretycznych i
pomiarów
laboratoryjnych,
nadal
jest
celowe
przeprowadzenie badań na obiektach rzeczywistych z
bieŜącym monitoringiem, serwisem i okresową konserwacją
oraz ciągłą rejestracją i oceną statystyczną wyników.
Na zakończenie warte jest przytoczenie znanego
powiedzenia nestora elektryków polskich szkoły lwowskiej
profesora S. Fryzego „ Najbardziej praktyczną rzeczą jest
dobra teoria”.
LITERATURA
Fot.3 Badania porównawcze dwóch zwodów (Franklina-ESE w
stanie nieaktywnym) i aktywnym ESE.
Tabela 2
lp n
B
B
Tm
Um
B
A
Tm
Um
1
2
3
30
30
30
13
16
16
17
14
14
µs
228
283
305
kV
514
531
497
6
3
0
24
27
30
µs
211
241
244
kV
500
533
490
Badania
były
wykonane
w
Laboratorium
Wysokonapięciowym SIAM Uniwersytetu de Pau et des
Pays de l’Adour i zostały przedstawione w raportach [14,,
15,16].
Ogólna
ocena
uzyskanych
wyników
eksperymentalnych
potwierdza
działanie
efektywne
zwodów ESE w zakresie skuteczności (80-90-100)%.
Przedstawiona wyŜej analiza teoretyczna oraz załoŜenia
teoretyczne we wcześniej publikowanych artykułach [8, 9]
zostały potwierdzone eksperymentalnie.
[1] S z p o r S .: Ochrona odgromowa , WNT, Warszawa 1983,
[2] S z p o r
S .: Ligthining protective zones, Archiwum
Elektrotechniki, (1979), z.3
[3] F l i s o ws k i Z . , K o r y c k i P . :Promowana i rzeczywista
skuteczność piorunochronów z wczesną emisją strimerów
(ESE), Przegląd Elektrotechniczny, (1998), nr 11,. 282
[4] C h r z a n K . , S m y c z E . :Zwody aktywne z wczesną emisją,
III Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna, Urządzenia
piorunochronne w projektowaniu i budowie, Kraków, (2000),
s.66-74.
[5] Chrzan K: Nieskuteczność pewnego zwodu aktywnego
Wiadomości Elektrotechniczne 2009 nr 1
[6] Vernon Cooray (and CIGRE working group): Lightning
Interception Non Conventional Lightning Protection Systems,
ELECTRA, No 258, 2011, pp. 36-41
[7] Sowa A. Badanie zagroŜeń występujących podczas
bezpośrednich wyładowań piorunowych w obiekty budowlane,
Wiadomości Elektrotechniczne 2005 nr 10
[8] Skopec A., Smycz E., Stec C. Inicjacja stanu nieustalonego
jako główna przyczyna większej skuteczności aktywnego
zwodu w ochronie odgromowej-analiza porównawcza zwodów
aktywnych i klasycznych, Wiadomości Elektrotechniczne 2008,
nr 8, ss. 8-11.
[9] Skopec A., Smycz E., Stec C: Zastosowanie reakcji impulsowej
i skokowej w analizie działania ochrony odgromowej zwodu
aktywnego typu ESE w stanie niestacjonarnego narostu
potencjału
elektrycznego
chmury,
Wiadomości
Elektrotechniczne 2011, nr10, ss. 40-44.
[10] Norme Francaise: Protection against lightning-Early streamer
emission lightning protection systems, NF C 17-102, Septembr
2011, pp.1-92
[11] Polska Norma PN-92/E-04060: Wysokonapięciowa
technika probiercza. Ogólne określenia i wymagania
probiercze, 1992
[12] IEC 60060-1 (1989-11) – High-voltage test
techniques. Part 1: General definitions and test
requirements, ed. 2.0
Próba prądowa:
Poza badaniami wysokonapięciowymi wykonane zostały
badania silnoprądowe samego zwodu jak równieŜ
pozostałych elementów instalacji (masztów, złączek,
liczników itp.)
Badania zostały przeprowadzone w Laboratorium
Symulowanych Wyładowań Atmosferycznych Instytutu
Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy w Warszawie.
Badania wykonano zgodnie z normą PN-EN 50164-1:2010
oraz procedurą wewnętrzną SOP 31. Wyniki badań zawarto
w sprawozdaniu [17].
Fot.4 Badanie prądowe zwodu Gromostar przy amplitudzie prądu
100 kA ±5%.
6
[13 IEEE Std 4-1995 – IEEE Standard Techniques For
High-voltage Testing
[14] RAPPORT D’ESSAIS No 100512, Comparaison de l’efficacite
d’un PDA actif vis-avis d’un PTS en laboratoire,,
LABORATORIRE SIAME EGE (Equipe Genie Electrique),
Universite de Pau et des Pays de I’Adour , 10 Mai 2012
[15] RAPPORT D’ESSAIS No 050612, Comparaison de l’efficacite
d’un PDA actif vis-avis d’un PTS en laboratoire,,
LABORATORIRE SIAME EGE (Equipe Genie Electrique),
Universite de Pau et des Pays de I’Adour , 5 Juin 2012
16] RAPPORT D’ESSAIS No 170612, Comparaison de l’efficacite
d’un PDA actif vis-avis d’un PTS en laboratoire,,
LABORATORIRE SIAME EGE (Equipe Genie Electrique),
Universite de Pau et des Pays de I’Adour , 17 Juin 2012
[17] SPRAWOZDANIE Z BADAŃ Nr S1/2012/LSWA Laboratorium
Symulowanych Wyładowań Atmosferycznych, Instytutu Fizyki
Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy, Warszawa, 2012.
Autorzy:
dr hab. InŜ. Adam Skopec emer. prof. P.Wr. Politechnika
Wrocławska, Instytut Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii,
WybrzeŜe Wyspiańskiego 27, 53-370 Wrocław,
dr InŜ. Eugeniusz Smycz Ecole Superieure de Physique et de
Chimie Industrielles, Paris, 10 rue Vauqeuelin,75005 Paris,
dr inŜ. Czesław Stec, Politechnika Wrocławska, Instytut Podstaw
Elektrotechniki i Elektrotechnologii, WybrzeŜe Wyspiańskiego 27,
53-370 Wrocław.
e-mail: [email protected]
7