ZG - Predavanje 07

1

1

S. Vujević - Zaštita od groma i uzemljenje – šk. god. 2007./2008. - Predavanje 7

Projektiranje LPS sustava (1)

Primarna funkcija LPS-a projektiranog u suglasju s IEC 62305 je čuvanje života i imovine od razaranja zbog učinaka udara munje, dok je njegovo postavljanje dio inženjeringa u građenju.

Sustav zaštite od munje (LPS – Lightning protection system)Cjeloviti sustav koji služi za smanjenje fizičkih šteta uslijed udara munja ugrađevinu. LPS se sastoji od vanjskog LPS-a i unutarnjeg LPS-a.

Vanjski sustav zaštite od munje (vanjski LPS)Dio LPS-a koji se sastoji od sustava hvataljki, sustava odvoda i sustava uzemljivača.

2



Vanjski LPS odvojen od građevine koju treba zaštititiLPS čiji je sustav hvataljki i sustav odvoda postavljen tako da putanja struje munje nema dodira s građevinom koju treba zaštititi. U odvojenom LPS izbjegavaju se opasna iskrenja između LPS-a i građevine.

Vanjski LPS koji nije odvojen od građevine koju treba zaštititiLPS čiji je sustav hvataljki i sustav odvoda postavljen tako da putanja struje munje može doći u dodir s građevinom koju treba zaštititi.

Unutarnji sustav zaštite od munje (unutarnji LPS)Dio LPS-a koji se sastoji od sustava za izjednačavanje potencijala i/ilielektrične izolacije vanjskog LPS-a.

2

3



Sustav hvataljki (engl. Air-termination system)Dio vanjskog LPS-a koji se sastoji od metalnih dijelova kao što su štapovi, mreža vodiča ili ulančene žice koji služi za prihvaćanje udara munje.

Sustav odvoda (engl. Down-conductor system)Dio vanjskog LPS-a koji služi za odvođenje struje munje od sustava hvataljka prema sustavu uzemljenja.

Sustav uzemljivača (engl. Earth-termination system)Dio vanjskog LPS-a koji služi za odvođenje struje munje i njeno raspršivanje u zemlji.

4


Projektiranje LPS sustava (4)UzemljivačDio ili skupina dijelova sustava uzemljenja koji ostvaruju izravan električni dodir sa zemljom i raspršuju struju munje u zemlji.

Prstenasti uzemljivačUzemljivač u obliku zatvorenog prstena oko građevine ukopan u tlo.

Temeljni uzemljivačŽeljezna armatura ili dodatni vodič ugrađen u beton temelja građevine koji se rabi kao uzemljivač.

Prirodna sastavnica LPS-aVodljiva sastavnica koja nije posebno postavljena za zaštitu od munje ali koja se može dodati LPS-u, a u nekim primjerima može imati i ulogu jednog ili više dijelova LPS-a.

3

5


Projektiranje LPS sustava (5)Opasno iskrenjeElektrično izbijanje uslijed udara munje koje prouzrokuje fizičke štete na građevini koju treba zaštititi.

Sigurnosni razmakRazmak između dva vodljiva dijela na kojem ne može nastati opasno iskrenje.

6


Projektiranje sustava hvataljki (1)Sustav hvataljki se sastoji od bilo koje kombinacije slijedećih elemenata:

1. Štapova – uključujući samostojeće metalne stupove (vertikalne hvataljke)

2. Sustava razvučenih žica (npr. horizontalne hvataljke)

3. Mreže vodiča

Razmještaj sustava hvataljki određuje se pomoću tri metode:

1. Metode zaštitnog kuta

2. Metode kotrljajuće kugle

3. Metode mreže vodiča (zasnovana na dimenzijama oka mreže vodiča)

4

7


Projektiranje sustava hvataljki (2)

Metoda kotrljajuće kugle je prikladna za složene zasjenjene konstrukcije.

Treba uzeti u obzir slijedeće relevantne činjenice:

Metoda zaštitnog kuta je primjenjiva za jednostavne građevine, ili za male dijelove većih cjelina. Ta metoda nije prikladna za građevine više od polumjera kotrljajuće kugle usklađenog s nivoom zaštite prema normi.

Metoda mreže vodiča (Faradeyev kavez) je generalno upotrebljiva, a posebno je prikladna za niske ravne prostrane konstrukcije.

8


Projektiranje sustava hvataljki (3)Po metodi zaštitnog kuta, sve hvataljke, šipke, stupovi i žice postavljaju se tako da svi dijelovi građevine budu unutar zaštićenog prostora koji se formira po toj metodi

Metoda zaštitnog kuta za različite visine iznad krova i različite referentne ravnine

5

9



Odvojeni LPS s dva jarbola i razvučenom žicom

10



Odvojeni LPS s dva jarbola i razvučenom žicom

6

11



Odvojeni LPS s dva jarbola bez razvučene žice

12



Odvojeni LPS s dva jarbola bez razvučene žice

7

13



Metoda kotrljajuće kugle se zasniva na elektrogeometrijskom modelu (EGM). Prema tom modelu, kad glava munje dođe blizu objekta, munja udara u najbližu točku na zemlji koja je udaljena od glava munje za r, gdje je r posljednji probojni razmak.

Posljednji probojni razmak određuje se iz izraza:

[ ]0.65r 10 I m= ⋅

U literaturi postoje i drugi slični izrazi za r.

gdje je I pripadna minimalna vršna jakost struje munje prvog kratkog udara,izražena u [kA].

14



EGM – zaštićeni prostor vertikalne hvataljke za H < r

EGM

je sk

raće

nica

za

elek

tro-g

eom

etrij

ski

mod

el

8

15



EGM – zaštićeni prostor vertikalne hvataljke za H > r

16



EGM – zaštićeni prostor horizontalne hvataljke za H < r

9

17



EGM – zaštićeni prostor horizontalne hvataljke za H > r

18



EGM – zaštićeni prostor sustava horizontalnih hvataljki

10

19


Projektiranje sustava hvataljki (14)Po metodi kotrljajuće kugle, položaj bilo koje hvataljke je prihvatljiv ako nema točke u prostoru koji se štiti u kontaktu s kuglom polumjera r koju kotrljamo po tlu oko objekta i po visini u svim mogućim smjerovima. Kod valjanja, kugla smije dotaknuti samo tlo ili sustav hvataljki.

20



r

r

r

r

r

r

11

21



α2

Zaštitn

i kut

α1

h1

h2

r

Kotrljajuća kuglaŠirina oka mreže

Vertikalnahvataljka

Sustavodvoda

Uzemljivački sustav

22



α

Širina oka mreže

h1

h2

Sustav odvoda

Uzemljivački sustav

r

Kotrljajućakugla

Z. kut

12

23



Vrsta LPS-a

Razina zaštite

Metoda provjere sustava hvataljki

Polumjer kugle r [m]

Širina oka mreže [ m]

Zaštitni kut α [ o]

I 20 5 x 5Prema

dijagramu na slici.

II 30 10 x 10

III 45 15 x 15

IV 60 20 x 20

24



[ ]h m

o ⎡ ⎤α ⎣ ⎦

Zaštitini kut hvataljke u ovisnosti o njenoj visini h iznad zaštićene plohe te vrsti LPS-a (razini zaštite)

13

25


Projektiranje sustava hvataljki (20)Po metodi mreže, vodiči mrežne hvataljke moraju biti postavljeni na:

1. Rubne linije krova

2. Istaknute dijelove krova

3. Na liniju sljemena krova, ako nagib (kosina) krova prelazi 1/10

4. Bočne plohe konstrukcija od nivoa višeg od polumjera pripadne kugle munje

Maksimalna širina oka mreže sustava hvataljki propisana je normom.Mreža sustava hvataljki je izvedena tako da struja munje uvijek ide na dvaodvoda struje prema uzemljivačuNema metalnih dijelova koji strše izvan prostora zaštićenog sustavom hvataljki.

Vodiči hvataljki slijede najkraće moguće i najizravnije puteve od vrhaobjekta do uzemljivača.

26



Metoda mreže primijenjena kod objekta s ravnim krovom

14

27



Metoda mreže primijenjena kod objekta s kosim krovom

28



Naputak za izbor vrste hvataljki:

• sustav hvataljki sastavljen od stupova prikladniji je za odvojeni vanjski LPS, a primjenjiv je upravo za jednostavne građevine malih dimenzija ili male dijelove velikih građevina

• sustav razvučenih metalnih žica, koje su na oba kraja na stupovima uzemljene, primjerene su samo za izdužene relativno niske građevine (a/b > 4) s malim prometom u blizini

• sustav zaštitne mreže odgovarajuće širine oka izabrane zaštitne razine je tradicionalno dobro prihvaćen u svim područjima te se,općenito, često koristi

15

29


Aktivne hvataljke munje – neklasični LPS

Tri dominantne vrste neklasičnih LPS sustava su:

• CTS / DAS sustavi - sustavi za sprječavanje nastanka munje- CTS (Charge Transfer System)- DAS sustavi (Dissipation Array System)

• Radioaktivni ESE sustavi (Early Streamer Emission)- sustavi s prethodnim uzlaznim izbijanjem

• Neradioaktivni ESE sustavi

Nema eksperimentalne potvrde da su CTS / DAS i ESE sustavi

učinkovitiji od klasične Franklinove štapne hvataljke iste visine.

30


Komercijalizaciju CTS / DAS sustava započela je tvrtka LEA (danas LEC) ranih 1970-ih godina.

a), b) CTS / DAS hvataljke u obliku kišobrana

a) b) c)

c) CTS / DAS hvataljka u obliku ježa

Aktivne hvataljke munje – CTS / DAS sustavi (1)

16

31


CTS / DAS hvataljke


32


Nakon što je američka vlada zatražila provjeru učinkovitosti CTS / DASsustava, zaključak je bio da nastanak munje ne može biti spriječen. To su potom potvrdile i druge nezavisne studije.

Nakon višekratnih udara munje u CTS / DAS uređaje, tvorci tih uređaja su revidirali svoju teoriju prestavši tvrditi da se pomoću CTS / DAS uređaja može neutralizirati naboj u oblacima. Umjesto toga, počeli su govoriti da postoji razlog vjerovati da CTS uređaji mogu smanjiti učestalost udara munje.


Proizvođači CTS uređaju su, zahvaljujući agresivnom marketingu, uspjeli prodati tisuće takvih uređaja. LEC je čak u pet navrata bezuspješno predlagao NFPA normu, a posljednji put prijedlog norme je odbačen u siječnju 2005. godine.

LEC je bezupješno pokušavao ishoditi i IEEE normu. U tom nastojanju su i DAS sustave preimenovali u CTS sustave.

17

33



LEC's Dissipation Array Concept

34



Sveobuhvatna se prosudba CTS i ESE sustava nalazi u radu Umana i Rakova iz 2002. godine.

Učinkovitost CTS uređaja su osporili i ruski znanstvenici utvrdivši da munje udaraju u CTS uređaje i u pomoću njih štićeni objekat.

M. A. Uman, V. A. Rakov, A Critical Review ofNonconventional Approaches to Lightning Protection, Bulletin of the American Meteorological Society, Vol. 83, No. 12, pp. 1809-1820, 2002.(Included in section 5.4.8 on the web site of: www.lightningsafety.com)

18

35


Radioaktivne ESE hvataljke munje (1)Prvi uređaji s prethodnim uzlaznim izbijanjem (ESE) bile su radioaktivne hvataljke munje.

Vrlo brzo je utvrđeno da radioaktivna ESE hvataljka nije ništa učinkovitija od klasične Franklinove štapne hvataljke iste visine.

U Republici Hrvatskoj je bilo postavljeno ukupno 430 radioaktivnih hvataljkimunje.Prema podatku Državnog zavoda za zaštitu od zračenja Republike Hrvatske, dana 14. ožujka 2006. godine bilo još 170 neuklonjenih radioaktivnih gromobrana diljem Republike Hrvatske. Trebali su svi biti uklonjeni do 31. 12. 2005. godine (NN 84/00).

Za objekte koji su bili zaštićeni pomoću radioaktivnih ESE hvataljki, po mišljenju vodećih svjetskih znanstvenika, jedino ispravno rješenje je zaštita tih objekata pomoću klasičnog vanjskog LPS-a u skladu s normom IEC 62305.

36


Neradioaktivne ESE hvataljke munje (1)

NeradiokatvivneESE hvataljke su se razvile kao zamjena za radioaktivne ESE hvataljke.

Zaštićeno područje ESE hvataljke.

19

37



Najpoznatiji svjetski proizvođači i/ili prodavatelji neradioaktivnihESE hvataljki:

• Indelec - Francuska

• Heary Bros. Lightning Protection - SAD

• National Lightning Protection Corporation - SAD

• Lightning Preventor of America - SAD

• Lightning Protection International of Tasmania -

Australija

38



Prevectron je izumljen 1986. godine

• NF C 17-102 - Francuska – 1995.• UNE 21-186 - Španjolska – 1996.• I 20 - Rumunjska• JUS N.B4.810 - Srbija i Crna Gora• STN 3-1391 - Slovačka

Prevectron proizvodi i prodaje francuska tvrtka Indelec.

Pripadne norme:

Prevectron 2

20

39



Usprkos višegodišnjem nastojanju, zagovornici ESE tehnologija nisu uspjeli u nakani da se u SAD-u usvoji NFPA norma za ESE uređaje.

Prvi Prijedlog norme NFPA 781 za ESE uređaje odbačen je 1995. godine. Zagovornici ESE tehnologija, predvođeni tvrtkom Heary Bros., tužili suNFPA i druge.

Okružni sud u Arizoni presudio je dana 7. listopada 2005. godine.

Tom je presudom sud usvojio protutužbu i prodavateljima ESE hvataljki zabranio oglašavati da ESE hvataljke imaju veći zaštićeni prostor od Franklinovih štapnih hvataljki.

Sličan spor pred istim sudom i slična presuda u listopadu 2003.

40



Glavni problem je u tome što prodavatelji i proizvođači ESE sustava

i pripadne norme zagovaraju da se objekat može zaštititi s bitno

manjim brojem hvataljki i odvoda u odnosu na klasični vanjski LPS.

Izvedbom vanjskog LPS-a s malim brojem ESE hvataljki i bitno

osiromašenim Faradayevim kavezom, u konačnici imamo vrlo

neučinkovitu zaštitu od munje.

21

41



Sydney 5. prosinca 1995.

Fotografija koja potvrđuje da

ne postoji učinkovito

prethodno uzlazno izbijanje

ESE hvataljki

42



• Kuala Lumpur, Malezija – ispitivanje u stvarnim uvjetima Hartono, Z. A.; Robiah, I.: A study of nonconventional air-terminals and stricken points in a high thunderstorm region. S. 357–361. Proceedings of the 25th ICLP, 2000.

• Manchester – Velika Britanija – laboratorijsko ispitivanjeThe Electrical Engineering and Power Systems Group, “The Results of Tests on ESE & Franklin Terminals, Test Report No. 43427, University of Manchester, Institute of Science and Technology, (no date).

• Novi Meksiko – SAD – ispitivanje u stvarnim uvjetimaMoore, C. B.; Aulich, G.; Rison, W.: Responses of Lightning Rods to Nearby Lightning. International Conference on Lightning and StaticElectricity (ICOLSE), 11.–13. 9. 2001 in Seattle, Washington/USA. Warrendale, Pennsylvania/ USA: Society of Automotive Engineers, 2001.

• Laboratorijska ispitivanja: Sveučilište u Damasku, TU Ilmenau

Neke važnije eksperimentalne potvrde (ne)učinkovitosti ESE hvataljki:

22

43


Laboratorijska ispitivanja – University of Manchester (1)

Ispitivanje prema NFC 17-102

DC napon 45 kV -Ispitni napon munje350/1650 µs840 kV

H =2,5 m

1 m

1 2 3 4

1 Klasična hvataljka (Franklinova)2 Dynasphere 3000, GLT, Australija3 Pulsar 60, Helita, Francuska4 Prevectron 2-S6, Indelec, Francuska

+ + ++

44


Laboratorijska ispitivanja – University of Manchester (2)

420 – ukupan broj izvedenih ispitivanja

- Nije bilo izbijanja: 55

- Izbijanje u ESE hvataljke: 165

- Izbijanje u Franklinov štap: 200

(13.1 %)

(39.3 %)

(47.6 %)

23

45


Laboratorijska ispitivanja – TU Ilmenau, Njemačka (1)

Uspoređene su značajke triju ESE hvataljki i to:

- Dynasphere 3000 (Erico/Australija)

- Pulsar 60 (Helita/Francuska)

- Prevectron 2-S6-60 (Indelec/Francuska)

te uspoređene sa značajkama dviju Franklinovih štapnih hvataljki koje su imale različite vrhove (šiljak i zaobljeni vrh).

Raspodjela izbijanja prema ESE hvataljkama i klasičnim hvataljkama bila je približno jednaka.

46



Dynasphere 3000 Pulsar 60

24

47



Prevectron 2-S6.60 Franklinova štapna hvataljka

48


Ispitivanje u prirodnim uvjetima – Novi Meksiko - SAD (1)

Ispitna stanica na visini od 3287 m. Prirodni uvjeti. Izravni udari munje.

25

49


Ispitivanje u prirodnim uvjetima – Novi Meksiko - SAD (2)

Rezultati: (tijekom 8 godina)

- Svi udari munje su bili u štapne hvataljke sa zaobljenim vrhom

- Nije bilo udara u zašiljene štapove ili ESE hvataljke

Podzemna mjerna kabina

50


U glavnom gradu Malezije, Kuala Lumpuru, postavljen je znatan broj

različitih ESE štapnih hvataljki na mnogim zgradama, počevši od 1990-ih.

Ispitivanje u prirodnim uvjetima – Malezija (1)

Više od 80 % zgrada zaštićenih ESE sustavima doživjelo je bar jedan izravni

udar munje. Zabilježene su mnoge štete. Munje su ponegdje udarile sasvim

blizu ESE uređaja ili ispod ESE uređaja.

U toj zoni s ektremno velikim brojem olujnih aktivnosti (više od 200 dana

godišnje) imali su jedinstvenu prigodu za ispitivanje učinkovitosti tih

hvataljki u prirodnim uvjetima i to u kratkom vremenskom razdoblju.

26

51



Štete na zgradi s ESE hvataljkom u Kuala Lumpuru

52




27

53




54


Udar munje - Sportska dvorana Alcobondas, Madrid, 2005. (1)

ESE-hvataljka

dio građevine pogođen udarom munje

28

55


Udar munje - Sportska dvorana Alcobondas, Madrid, 2005. (2)

ESE-hvataljka

dio građevine pogođen udarom munje

56


SLE sustav (Semiconductor Lightning Eliminator) - Kina

Kineska verzija sustava za sprječavanje nastanka munju

29

57


Modernised Lightning Protection System (MLPS)

ESE hvataljka - Malezija

Autor: Prof. dr. Hussein Ahmad

Zlatna medalja - International Trade Fair (Ideas-Inventions-New Products) IENA 2006, Nirnberg, Njemačka

58


30

59


1. Što je vanjski LPS odvojen od građevine koju treba zaštititi, a što vanjski LPS neodvojen od građevine koju treba zaštititi?

Ispitna pitanja (7)

3. Od koje se kombinacije može sastojati sustav hvataljki? Koje se metode koriste za određivanje rasporeda sustava hvataljki?

4. Koji je polumjer kotrljajuće kugle za pojedinu razinu zaštite (LPL)?

7. Koje su tri dominantne vrste neklasičnih LPS sustava?

5. Koja je širina oka mreže za pojedinu razinu zaštite (LPL)?

6. Kako se određuje zaštitni kut za pojedinu razinu zaštite (LPL)?

2. Objasnite postupak određivanja zaštićenog prostora vertikalne hvataljke, horizontalne hvataljke te sustava horizontalnih hvataljki prema EGM.

Documents

ZG - Predavanje 07