NIESKUTECZNOŚĆ PIORUNOCHRONÓW AKTYWNYCH ESE W WARUNKACH LABORATORYJNYCH I POLOWYCH

W artykule omówiono najnowsze badania eksperymentalne wykonane w warunkach laboratoryjnych, 10 letnie obserwacje nieskuteczności piorunochronów aktywnych w Malezji a także jeden przypadek z terenu Polski. Badania laboratoryjne polegały na pomiarze udarowego napięcia przebicia w układach, w których jedną elektrodą był zwód aktywny ESE albo klasyczny zwód Franklina. Pomiary te wykazały, że wytrzymałość powietrza w układach o odstępie elektrod w zakresie 0,1 – 4 m jest taka sama. Nieskuteczność zwodów aktywnych w warunkach naturalnych sugeruje, że wytrzymałość powietrza układu piorun – zwód aktywny jest taka sama jak w układzie piorun – zwód klasyczny.

1. WSTĘP

250 lat temu Benjamin Franklin wynalazł piorunochron. Przydatność wynalazku sprawiła, że bardzo szybko (jak na tamte czasy) zaczęto instalować piorunochrony na wieżach kościelnych, pałacach, statkach [1]. W XIX wieku ceny stali obniżyły się tak znacznie, że piorunochrony montowano już nawet na budynkach średniozamożnych właścicieli. 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 [3, 4]. 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 [3, 4]. Pomimo tego, głowice te zaczęły być produkowane i instalowane w wielu krajach. Badania autora przeprowadzone na Uniwersytecie w Darmstadt wykazują jednak, że koncepcja zwodów aktywnych jest błędna ponieważ napięcie przebicia układów ze zwodami aktywnymi jest takie samo jak układów ze zwodami klasycznymi.

2. HIPOTEZA OPISUJĄCA RZEKOME DZIAŁANIE ZWODÓW AKTYWNYCH

Istnieje kilka rozwiązań zwodów ESE:

• jonizacja powietrza wokół ostrza odbywa się w sposób ciągły za pomocą elementu piozoelektrycznego (producent Franklin – France).
• jonizacja powietrza wokół ostrza odbywa się za pomocą impulsów elektrycznych, energia pochodzi ze zgromadzonego ładunku w kondensatorze, który ładuje się za pomocą tzw. elektrod zbiorczych (producent Indelec, Helita).
• jonizacja powietrza wokół ostrza odbywa się za pomocą układu elektrycznego o dodatnim sprzężeniu zwrotnym (sprzedawane we Francji pod marką POUYET).

Należy podkreślić, że układy te są pasywne, nie wymagają zasilania zewnętrznego ponieważ energię konieczną do działania pobierają z zewnętrznego pola elektrycznego.

Norma francuska NF C 17-102 precyzuje szczegółowe warunki badań oraz zasady oceny zwodów z głowicami aktywnymi. Badania prowadzi się w takich samych warunkach dla zwodu z głowicą aktywną i tradycyjnego a ocena opiera się na porównaniu czasów emisji wyładowań strimerowych oddolnych. W jednakowych warunkach, w porównaniu ze zwodami klasycznymi, zwody ESE rzekomo powodują wcześniejszą inicjację wyładowania strimerowego.

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. Znana jest zależność długości tzw. drogi decyzji D pioruna (striking distance) od prądu wyładowania głównego dla zwodów klasycznych. Jednakże nie wiadomo, jak (lub czy) odległość D zależy od czasu inicjacji strimera oddolnego emitowanego przez zwód o długości rzędu 1 m.

3. BADANIA LABORATORYJNE

Do badań wybrano zwody aktywne trzech firm. Zmierzono napięcie przebicia i czasy do przebicia w układzie składającym się z uziemionego ostrza i elektrody wysokonapięciowej w postaci ostrza lub płyty. Odstęp elektrod zmieniano od 10 cm do 4 m. Zastosowano napięcie udarowe piorunowe 1,2/50 µs i łączeniowe 250/2500 µs o polaryzacji dodatniej i ujemnej. Elektrodą ostrzową były zwody aktywne lub zwody Franklina.

Napięcie przebicia układu elektrod wyznaczano metodą serii. Każda seria składała się z 10 udarów o jednakowej amplitudzie. Amplitudę kolejnej serii udarów zwiększano o ok. 1% dla udarów piorunowych albo o ok. 1,5% dla udarów łączeniowych. W każdej próbie napięciowej, w której wystąpiło przebicie mierzono czas do przebicia. Wyznaczono maksymalne napięcie, przy którym 10-krotnie nie wystąpiło przebicie (oznaczone umownie jako napięcie wytrzymywane U_0%) oraz minimalne napięcie, przy którym 10-krotnie wystąpiło przebicie (U_100%). Po wyznaczeniu napięć przebicia i czasów do przebicia zwód aktywny zwierano i wykonywano natychmiast próby z tak przygotowanym zwodem Franklina. Przy danej odległości elektrod i biegunowości pomiary dla zwodu aktywnego a następnie zwodu Franklina wykonywano w czasie ok. 2 godzin. W tak krótkim czasie zmiany warunków klimatycznych są pomijalne i dlatego nie miały wpływu na wyniki prób napięciowych.

Pomiary napięcia przebicia wykazały, że wytrzymałość powietrza jest taka sama w układach elektrod ze zwodem klasycznym albo zwodem aktywnym przy odległościach 0,1m – 4 m. Dla ilustracji, w Tabeli 1 podano wyniki pomiarów napięcia przebicia w układzie płyta-ostrze dla odległości 1m przy udarze łączeniowym.

Stwierdzono również, że czasy do przebicia układu ze zwodem aktywnym mogą być krótsze niż układu ze zwodem klasycznym lub dłuższe. Jeśli zwody aktywne posiadałyby właściwości postulowane przez producentów, wówczas wytrzymałość układów ze zwodami aktywnymi powinna być mniejsza niż układów ze zwodami Franklina. Również czasy do przebicia układów ze zwodami aktywnymi powinny w takim przypadku być krótsze. Czasy do przebicia w próbach z udarami łączeniowymi charakteryzują się dużym rozrzutem. W jednej serii możliwe są przebicia na czole udaru T_b = 84 µs jak również na grzbiecie o T_b = 720 µs. W tab. 2 zestawiono pomiary czasów do przebicia dla wybranej serii składającej się z prób napięciowych.

Pomimo znacznie krótszych czasów do przebicia układu ze zwodem Franklina, układ ten ma taką samą wytrzymałość jak układ ze zwodem aktywnym, napięcia U_0% i U_100% są praktycznie takie same. Przykład ten wskazuje wymownie, że przy napięciu łączeniowym czas do przebicia układu elektrod nie jest parametrem decydującym o wytrzymałości tego układu. Zatem koncepcja zwodów aktywnych, polegająca na wnioskowaniu o wytrzymałości układu piorun - zwód ESE na podstawie pomiaru czasu do przebicia w układzie płyta - zwód ESE jest błędna.

4. OBSERWACJE W WARUNKACH POLOWYCH

W Polsce znany jest autorom tylko jeden przypadek nieskuteczności zwodu aktywnego ESE. Latem 2002 piorun uderzył w dom państwa Wieczorkowskich w Kamieńcu Wrocławskim. Budynek wyposażony był w piorunochron aktywny zamontowany w najwyższym punkcie A położonym na wysokości 13 m (Rys. 2). Piorun trafił jednak w punkt B, oddalony około 18 m od punktu A. Uszkodzeniu uległ mur oraz kilka urządzeń elektronicznych wewnątrz budynku. Producent zwodu zapewniał, że promień strefy ochrony głowicy wynosi aż 30 m. W wyniku zgłoszonej reklamacji, w punkcie A zainstalowano na koszt firmy dodatkową głowicę umieszczoną na maszcie o wysokości 3 m.

Obserwacje nieskuteczności zwodów aktywnych ESE prowadzone są od roku 1990 w Malezji [5]. W okresie tym zaobserwowano więcej niż 200 uszkodzeń na ponad 100 budynkach, które zostały spowodowane przez piorun w wyniku nie trafienia w zwody aktywne. Większość obiektów była chroniona przez jeden centralnie usytuowany zwód aktywny, kilka wyposażone zostały w dwie głowice. Zwody te wyprodukowane zostały przez 6 różnych firm, były to zwody ESE (6 typów) i 3 typy zwodów radioaktywnych. Wysokość uszkodzonych budynków wahała się od 15 m do 170 m. Najczęściej trafianymi miejscami były ostro zakończone szczyty na dachach i krawędzie ścian.

Oczywiście więcej uszkodzeń znaleziono na bardzo wysokich budynkach, do 11 na budynku o wysokości wynoszącej 170 m. Na rysunkach 3 - 5 pokazano uszkodzenia budynków w Malezji.

Obserwacje dowodzą, że jeden centralnie usytuowany zwód aktywny nie zapewnia dostatecznej ochrony. Badania eksperymentalne i obserwacje w warunkach naturalnych dowodzą, że ani w warunkach laboratoryjnych (odstępy do kilku metrów) ani w warunkach naturalnych zwody aktywne nie spełniają zadania do których zostały przeznaczone. Zatem ich stosowanie nie jest uzasadnione.

Autorzy będą wdzięczni wszystkim za zgłoszenia dalszych przypadków dowodzących, że zwody aktywne nie są skuteczne!!!

5. WNIOSKI.

• Udarowe napięcia przebicia układów, w których elektrodą uziemioną jest zwód aktywny jest takie samo jak układu ze zwodem klasycznym. Dowodzi to, że strefa ochronna zwodów aktywnych jest taka sama jak zwodów Franklina.
• Koncepcja zwodów aktywnych polegająca na wnioskowaniu o wytrzymałości układu piorun – zwód ESE na podstawie czasu emisji strimerów oddolnych (czasu do przebicia) jest błędna.
• Obserwacje nieskuteczności zwodów aktywnych w warunkach polowych dowodzą że ich strefa ochronna jest w rzeczywistości znacznie mniejsza od tej, którą podają producenci. Zwody aktywne nie są skuteczne na obiektach wysokich jak również na obiektach niskich.

LITERATURA

[1] Chrzan K. L., Historia piorunochronu w Polsce. Przegląd Elektrotechniczny, nr 8/2002

[2] Golde R.H. Lightning Protection. Edward Arnold 1973, pp. 32, 33

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

[4] Chrzan K.L., Smycz E. Zwody aktywne z wczesną emisją. Konferencja Urządzenia Piorunochronne w Projektowaniu i Budowie, Kraków 2000, s. 66-74

[5] Hartono Z. A., Robiah I., Darveniza M., A database of lightning damage caused by bypasses of air terminals on buildings in Kuala Lumpur, Malaysia. 6th Int. Symposium on Lightning Protection, Santos, Brazil, 2001, pp. 211-216

Krystian L. Chrzan pragnie podziękować niemieckiej fundacji DAAD, Prof. V. Hinrichsen’owi i dr W. Breilmann’owi za możliwość wykonania badań na Politechnice w Darmstadt

The paper shows experiments under laboratory conditions and inefficacy observations of ESE terminals in Malaysia and in Poland. The main measure criterion was the breakdown voltage of the air gap consisted of the high voltage electrode (rod or plate) and a grounded ESE terminal. These carefully measurements show that the air gaps with ESE terminals have the same breakdown voltages as the air gaps with standard rods. Therefore the big protection zone of ESE terminals as claimed by their manufactures seems to be impossible. The paper reports on lightning damage of one home equipped with ESE terminal in Poland and about 100 buildings damaged in Malaysia.

Powrót