Nieskuteczność pewnego zwodu aktywnego

dr Krystian Leonard Chrzan

1. Wstęp.

Już w wieku XIX zauważono, że piorun niekiedy może nie trafić w instalację piorunochronną i uszkodzić obiekt [2] W wieku XX gdy piorunochrony zaczęły ochraniać bardzo wysokie drapacze chmur, maszty radiowe i telewizyjne, obserwacje te stały się częstsze. Próbowano zwiększyć skuteczność ochrony odgromowej przez zastosowanie zwodów radioaktywnych [1]. Niestety próby te okazały się daremne.

Od kilkunastu lat na rynku dostępne są głowice zwane zwodami aktywnymi ESE wyposażone w specjalne urządzenie rzekomo inicjujące wczesną emisję oddolnego wyładowania strimerowego (ang.Early Strimer Emission).Zarówno zasada działania jak i postulowane wielkości stref ochronnych zwodów aktywnych ESE nie zostały udowodnione i od początku wzbudziły liczne zastrzeżenia [1]. Pomimo tego, głowice te zaczęły być produkowane i instalowane w wielu krajach. Badania autora przeprowadzone na Uniwersytecie w Darmstadt sugerują, że koncepcja zwodów aktywnych jest błędna, ponieważ napięcie przebicia układów ze zwodami aktywnymi jest takie samo jak układów ze zwodami klasycznymi [2]. Jednakże pomiary te wykonywane w laboratorium przy odstępach do 4 m i napięciu przebicia poniżej 2 MV nie są niezbitym dowodem na nieskuteczność zwodów ESE. Bardziej przekonujące są obserwacje w warunkach naturalnych. Ponad 100 takich obserwacji dokonano w stolicy Malezji Kuala Lumpur [3]. W Polsce do tej pory znany jest tylko jeden przypadek nieskuteczności zwodu aktywnego [4]. Pomimo sprzeciwu znanych badaczy wyładowań piorunowych i ekspertów ochrony odgromowej [5], zwody aktywne są nadal produkowane przez kilkanaście firm usytuowanych w różnych krajach. Pojawiają się również opracowania, które przedstawiają różne teorie mające stanowić naukowe uzasadnienie stosowania tych urządzeń [6]. Ostatnio pojawiła się publikacja, pokazująca jedną z przyczyn braku skuteczności zwodów aktywnych [7]. W niniejszym referacie udało się znaleźć warunki, w których zwód aktywny sprzedawany w Polsce i zakwalifikowany jako nieskuteczny w poprzednich badaniach autora okazuje się nieco lepszy niż zwód zwykły. Niestety, ma to miejsce przy odstępie wynoszącym zaledwie kilka centymetrów!

2. Hipoteza opisująca rzekome działanie zwodów aktywnych.

Różne typy zwodów ESE różnią się sposobem jonizacji powietrza wokół ostrej elektrody. Należy podkreślić, że układy te są pasywne, nie wymagają zasilania zewnętrznego ponieważ energię konieczną do działania pobierają z zewnętrznego pola elektrycznego. Norma NF C 17-102 precyzuje szczegółowe warunki badań oraz zasady oceny zwodów z głowicami aktywnymi. Badania zwodu aktywnego i zwodu klasycznego prowadzi się w układzie płyta - ostrze a ocena opiera się na porównaniu czasów emisji wyładowań strimerowych oddolnych. W jednakowych warunkach zwody ESE powodują zazwyczaj wcześniejszą inicjację wyładowania strimerowego. Czas wyprzedzenia ΔT jest obliczany na podstawie serii prób w układzie elektrod płyta-ostrze przy napięciu udarowym łączeniowym, np. 250/2500 µs. Uziemiony zwód Franklina lub zwód aktywny znajduje się pod płytą. Odległość elektrod wynosi 1 m. Przypuszcza się, że wymuszony strimer powoduje wydłużenie fizycznej wysokości zwodu a przez to i zwiększenie strefy ochronnej w porównaniu ze strefą ochronną zwodu klasycznego.

3. Błąd w założeniu hipotezy.

Zwolennicy zwodów Franklina twierdzą natomiast, że taki sam skutek można osiągnąć przez wydłużenie zwodu klasycznego. Uważają, że stosowanie zwodów aktywnych nie jest uzasadnione ekonomiczne a ewentualny zysk bardzo wątpliwy. Obliczanie skuteczności zwodów aktywnych na podstawie wzoru, w którym przyjęto zbyt dużą szybkość rozwoju wyładowania oddolnego jest bardzo ryzykowne. Dodatkowo, w warunkach polowych konfiguracja pola elektrycznego jest inna niż w próbie określonej przez normę NF C 17-102 i przypomina raczej układ pręt-pręt a nie płyta-pręt.

Okazuje się jednak, że pole elektryczne przy zakończeniu zwodu wskutek zbliżającego się wyładowania chmura-ziemia zmienia się zupełnie inaczej niż ma to miejsce w opisanym wyżej badaniu zgodnym z normą NF C 17-102 (rys. 1). Podczas badania zwodu udarem łączeniowym pole elektryczne wzrasta w ciągu pierwszych 350 µs podobnie do funkcji pierwiastkowej, natomiast pole wytwarzane przez zbliżający się piorun zmienia się wykładniczo. Przy czym najszybsze zmiany następują w ciągu ostatnich 50 µs.

Rys. 1. Porównanie zmian pola przy zwodzie podczas badania laboratoryjnego z zastosowaniem udaru łączeniowego i pola pochodzącego od zbliżającego się wyładowania piorunowego o prądzie powrotnym 10 kA. Rysunek wykonany na podstawie publikacji [7].

Zwody aktywne badane wg normy NF C 17-102 mogą wysyłać strimery nawet o kilkadziesiąt µs wcześniej od zwodów Franklina. Przy wielokrotnie szybszych zmianach pola elektrycznego w warunkach polowych czas ΔT staje się zapewne parametrem bez znaczenia.

4. Badania zwodu przy udarach piorunowych i łączeniowych.

Zmierzono napięcia przebicia układu, w którym zwody stanowiły dolną, uziemioną elektrodę a górną, wysokonapięciową elektrodą była rura aluminiowa o zakończeniu stożkowym. Zastosowano udary łączeniowe250/2500 µs i udary piorunowe 1,2/50 µs oraz odstępy między zakończeniem zwodu i rury do 4 m. Wyniki pomiarów podane zostały w publikacjach [2, 4]. W żadnej z prób napięcie przebicia układu ze zwodem aktywnym nie było niższe od układu ze zwodem Franklina w stosowanym odstępach powietrznych w zakresie 0,2-4 m. Zatem w próbach tych zwód aktywny nie okazał się lepszy od zwykłego zwodu Franklina.

5. Badania zwodu przy napięciu przemiennym.

Badany zwód zawiera cewkę L w metalowej obudowie złożonej z dwóch odizolowanych od siebie części tworzących kondensator C_i. Zwód można przedstawić w postaci schematu zastępczego pokazanego na rys. 2. Kondensatory C_a i C_o reprezentują pojemności rozproszenia do chmury i do ziemi a rezystor R reprezentuje rezystancję cewki i uziemienia. Zwód znajduje się w polu elektrycznym E_o wytwarzanym przez chmurę burzową. Na kondensatorze C_i indukuje się ładunek Q i napięcie. Jeśli iskiernik bocznikujący kondensator C_i zostanie przebity, w obwodzie powstaje stan nieustalony. Maksymalna wartość współczynnika przepięcia jest równa dwa.

Rys. 2. Schemat zastępczy zwodu aktywnego [6].

Przeprowadzono pomiary wyładowań niezupełnych w układzie, w którym elektrodą wysokonapięciową była okrągła płyta o profilowanych krawędziach. Odległość płyty od ostrza zwodu aktywnego wynosiła 15 cm. Pierwszy pomiar wykonano ze zwodem aktywnym, natomiast przed drugim pomiarem zwarto kondensator C_i. Po przekroczeniu napięcia zapłonu wyładowania z ostrza zwodu aktywnego są nieco większe od wyładowań z ostrza zwodu Franklina (zwodu aktywnego ze zwartym kondensatorem C_i, rys. 3). W obydwu przypadkach wyładowania niezupełne przedstawiają typowy obraz dla układu ostrze-płyta. Wyładowania palą się w ujemnym półokresie napięcia (rys. 4). Ze wzrostem napięcia wzrasta szerokość obszaru zajmowanego przez wyładowania w dolnej części elipsy. Natomiast maksymalna wartość ładunku pozornego pozostaje prawie taka sama. Jednakże przy napięciu 27 kV następuje gwałtowny wzrost maksymalnego ładunku pozornego przy testowanym zwodzie aktywnym. Natomiast ładunek pozorny ze zwodu Franklina przy napięciu 32 kV wynosi 250 pC (rys. 3).

Rys. 3. Zależność ładunku pozornego od napięcia dla zwodu aktywnego i zwodu Franklina.

Rys. 4. Obraz wyładowań niezupełnych.

Napięcie przebicia układów elektrod płyta-ostrze w zależności od odległości elektrod przedstawiono na rys. 5. Tylko dla bardzo małych odległości napięcie przebicia układu ze zwodem aktywnym jest mniejsze od napięcia przebicia układu ze zwodem Franklina. Przykładowo, dla odleglości 7 cm, napięcie przebicia wynosi 29 kV dla zwodu aktywnego i 33 kV dla zwodu Franklina. Wykazane różnice pomiędzy zwodem aktywnym a zwodem Franklina wynikają z przepięć powstających w układzie ze zwodem aktywnym. Praktyczne znaczenie przepięć powstających w opisywanym układzie przy bardzo małym napięciu przemiennym i bardzo małych odstępach elektrod jest jednak bez znaczenia.

Rys. 5. Napięcie przebicia układu z płaską elektrodą wysokonapięciową i elektrodą uziemioną w postaci zwodu Franklina lub zwodu aktywnego.

Wnioski.

Stwierdzone korzystne własności zwodu aktywnego przy napięciu przemiennym i bardzo małym odstępie elektrod są bez znaczenia w warunkach naturalnych, tzn. przy wielometrowych odstępach i udarowym napięciu o wartości wielu milionów Voltów.

Literatura.

[1] Flisowski Z., Promowana i rzeczywista skuteczność piorunochronów ESE. Przegląd Elektrotechniczny nr 11/1998

[2] Chrzan K.L., Nieskuteczność zwodów aktywnych ESE w warunkach laboratoryjnych. Przegląd Elektrotechniczny nr 5/2003, s. 350-352

[3] Hartono Z.A., Robiah I., Performance of non-standard lightning air terminals: revisited. 29^th Int. Conference on Lightning Protection, Uppsala 2008, paper 4-4

[4] Chrzan K.L., Hartono Z.A., Nieskuteczność piorunochronów aktywnych ESE w warunkach laboratoryjnych i polowych. Wiadomości Elektrotechniczne nr 3/2003, s. 99-101

[5] Uman M.A., Rakov V.A., A critical review of nonconventional approaches to lightning protection. American Meteorological Society, December 2002, pp. 1809-1819

[6] 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 nr 8/2008, s. 8-11

[7] Becerra M., Cooray V., Early streamer emission princeple does not work under natural lightning. 29^th Int. Conference on Lightning Protection, Uppsala 2008, paper 4-3

Powrót