Projektowanie instalacji odgromowych.

Projektowanie z normami PN-IEC 61024 polegało na oszacowaniu wymaganej skuteczności urządzenia piorunochronnego EC i dobraniu nie mniejszej, rzeczywistej skuteczności projektowanej instalacji E z zestawu czterech dobrze określonych grup parametrów nazywanych poziomami ochrony. Wyznaczony poziom ochrony I - IV narzucał projektantowi zestaw istotnych parametrów niezbędnych do rozlokowania zwodów, określenia odstępów iskrobezpiecznych, kątów osłonowych jak również umożliwiał dobór ochronników w ochronie wewnętrznej. Określenie poziomu ochrony było kluczową czynnością w projekcie instalacji.

Nieco inaczej będziemy postępować stosując zapisy norm serii PN-EN 62305. Znajdziemy tu z góry określony związek pomiędzy LPL - poziomem ochrony odgromowej i klasą LPS .

LPL - poziom ochrony, określony przez liczbę z prze-działu I-IV przypisującą zestaw wielkości parametrów prądu piorunowego odpowiadającą prawdopodobieństwu, że założone wartości maksymalne i minimalne nie zostaną przekroczone przy naturalnym wyładowaniu. Poziom ochrony jest istotny przy projektowaniu ochronników.

Klasa LPS - określona przez liczbę z zakresu I-IV przypisująca parametry niezbędne do zaprojektowania zewnętrznej instalacji odgromowej i związanej z nią poprzez LPL - ochrony wewnętrznej.

Związek między poziomem ochrony odgromowej LPL, a klasą LPS pokazuje Tabela 1.

                                                                                                                                                                                                                 Tabela1.

 

Wielkości zależne od klasy LPS:

• promień toczącej się kuli, rozmiar oka siatki zwodów, kąt ochronny.
• typowe odległości pomiędzy przewodami odprowadzającymi.
• odstęp iskrobezpieczny.
• minimalna długość uziomu.
• parametry prądu piorunowego - poprzez związek z LPL.
• Zasadnicza zmiana w projektowaniu instalacji odgromowych wg PN-EN 62305 polega na tym, że dotychczas kluczową rolą w procesie projektowania było wyznaczenie skuteczności E i związanego z nią poziomu ochrony. Obecnie, celem, do którego będziemy dążyć podczas wstępnego etapu projektowania, jest
• uzyskanie ryzyka mniejszego, niż z góry określone w normie ryzyko tolerowane.
• Klasa LPS jest w tym działaniu tylko jednym ze zmiennych parametrów służących do spełnienia kluczowej zależności:

 

 

2.1. Źródła i rodzaje uszkodzeń, rodzaje strat.

Analizę potrzeby budowy instalacji odgromowej oraz wykonania innych działań ochronnych na obiekcie poprzedzono zdefiniowaniem zjawisk wiążących się z wyładowaniem atmosferycznym. W zależności od punktu wyładowania definiuje się następujące źródła uszkodzeń:

S1 - uderzenie w budynek.
S2 - uderzenie w pobliżu budynku.
S3 - uderzenie w instalację podłączoną do budynku.
S4 - uderzenie obok instalacji podłączonej do budynku.

Źródła te mogą być przyczyną następujących rodzajów uszkodzeń:

D1 - obrażenia istot żywych.
D2 - uszkodzenia fizyczne obiektów.
D3 - awarie systemów wewnętrznych.

Każdy rodzaj uszkodzenia D, pojedynczo lub w połączeniu z innymi, może być przyczyną następujących strat:

L1 - strata ludzkiego życia.
L2 - strata w usługach publicznych.
L3 - starta dóbr kulturalnych.
L4 - starta wartości ekonomicznej.

Uwaga: zagrożenie życia zwierząt w gospodarstwach rolnych i hodowlanych należy do grupy strat L4.

Każdy rodzaj straty L związany jest z odpowiadającym mu ryzykiem R, co w całości możemy przedstawić za pomocą diagramu:

 

 

2.2. Ryzyko, zarządzanie ryzykiem.

Ryzyko R jest wartością prawdopodobnej rocznej straty jaka może zaistnieć w budynku lub w instalacji. Każde ryzyko R1, R2, R3, R4 jest sumą swoich komponentów ryzyka. Szacowane rodzaje ryzyk dla budynku:

• R1 - ryzyko straty życia ludzkiego.
• R2 - ryzyko straty usługi publicznej.
• R3 - ryzyko straty dziedzictwa kulturowego.
• R4 - ryzyko straty wartości ekonomicznej.

i dla instalacji:

• R'2 - ryzyko straty usługi publicznej.
• R'4 - straty wartości ekonomicznej.

 

 Procedury wyboru środków ochrony

                  Rysunek 1. Procedura wyboru środków ochrony w budynku.                                                                          Rysunek 2. Procedura wyboru środków ochrony w instalacjach.

 

 
Przedstawione powyżej procedury odwołują się do kluczowych w tym procesie wartości ryzyk tolerowanych RT. W tabeli poniżej zestawiono ich typowe wartości.

                                                                                         Tabela 2.

 

Podane wartości odnoszą się do przypadków w których może nastąpić utrata życia ludzkiego lub społecznych i kulturalnych wartości. Norma dopuszcza ustalenie innych wartości RT w przypadkach odmiennych niż wskazano.
Oszacowanie ekonomicznych aspektów ochrony (R4) następuje poprzez porównanie rocznych kosztów strat pod nieobecność ochrony, ze stratami powstałymi pomimo zastosowanych środków połączonymi z rocznymi kosztami zainstalowanej ochrony.

 

 

 

2.3 LPS - System zwodów izolowanych, zwody odsunięte.

Jednym z ważniejszych aspektów w projektowaniu nowoczesnych instalacji odgromowych staje się kwestia ochrony wyposażenia elektrycznego i elektronicznego znajdującego się zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz (na dachu) obiektu. Konsekwentna budowa stref 0B wokół aparatury zewnętrznej, dbałość o zachowanie odstępów iskrobezpiecznych jest warunkiem wykonania efektywnego LPS.

Projektant LPS powinien wybrać i konsekwentnie realizować jeden z podstawowych wariantów wykona-nia instalacji odgromowej. Może to być LPS: izolowany, nie izolowany, kombinowany z obu rodzajów.

W omawianych normach, w arkuszu 3, znajdziemy takie oto stwierdzenie:

[E.5.1.2] "Izolowane LPS-y uzyskuje się albo przez zainstalowanie prętów lub masztów zwodu w sąsiedztwie chronionego budynku albo poprzez zawieszenie napowietrznych przewodów pomiędzy masztami z odstępem iskrobezpiecznym, zgodnie z 6.3.(...)
Izolowany zewnętrzny LPS powinien być zastosowany wtedy, kiedy przepływ prądu piorunowego w po-łączonych wewnętrznych częściach przewodzących może spowodować uszkodzenie budynku lub jego zawartości".

Ponieważ nasze zwody, opisane w katalogu, są uniwersalne i mogą posłużyć do budowy instalacji każdego z wymienionych typów, a zwrot "izolowany LPS" przypisujemy zgodnie z nazwą do "izolowanego systemu odgromowego", nazwaliśmy je dla odróżnienia - odsuniętymi.

 

 

 

2.4. Zwody odsunięte jako korzystniejszy wariant budowy instalacji odgromowych.

Projektant nie ma żadnych ograniczeń w wyborze metody ochrony obiektu. Może zdecydować się na łączenie metalowych urządzeń na dachu bezpośrednio do zwodów instalacji odgromowych i dopuszczać wyładowania bezpośrednio w nie, jeśli będą spełnione wymagania dotyczące grubości detali konstrukcyjnych - vide Tabela 3/PN-EN 62305-3. Jednak w tym przypadku musi liczyć się z pewnymi konsekwencjami wynikającymi z takiej konfiguracji:

• Problem bezpośredniego oddziaływania prądu piorunowego.
  Wyładowanie piorunowe w obudowę urządzenia spowoduje wystąpienie skutków termiczno-kinetycznych mogących doprowadzić do mechanicznych uszkodzeń, powstania dziur w obudowach oraz uszkodzeń pokryć antykorozyjnych - najczęściej w miejscach nie widocznych, na stykach różnych arkuszy blach.

• Problem z budową stref ochronnych LPZ.
  Umieszczając urządzenie w strefie 0A zasilane np. kablem ze strefy 2 musimy, zgodnie ze Strefową Koncepcją Ochrony Odgromowej, zaprojektować odpowiednie ochronniki na granicy stref 0A-2. Czynność taką należy powtórzyć dla każdego urządzenia i każdego obwodu zasilania i sterowania. Zapewne koszt takiego rozwiązania zaniepokoi nie jednego Inwestora. Oprócz czynników ekonomicznych projektant musi w tym przypadku zmierzyć się z kolejną niedogodnością, a mianowicie - wprowadzenie kabla z częścią prądu piorunowego do wnętrza obiektu spowoduje indukowanie się przepięć w przewodach biegnących równolegle do niego. W najgorszych przypadkach można się spodziewać również przeskoków iskrowych pomiędzy nimi. Należałoby więc w takim przypadku szczególnie starannie dokonać trasowania kabli na obiekcie lub zaplanować dodatkowe środki ochronne.

 
                                                                     Rysunek 3. Problem z rozmieszczeniem stref ochronnych na obiekcie.

 

 

• Problem z niebezpiecznymi napięciami.
  Projektant nie zawsze ma do czynienia z jednokondygnacyjnymi budynkami w których maszyny i urządzenia stoją na siatce ekwipotencjalizacyjnej łączonej krótkimi odcinkami do obudów.

                                                                      Rysunek 4. Generowanie niebezpiecznych napięć pomiędzy obudowami sąsiednich urządzeń.

Rysunek powyższy pokazuje typowy przypadek w którym urządzenia nr 1 i 2 zasilane z rozdzielnicy RS. Ich obudowy połączono do sieci wyrównawczej w systemie "gwiazda". Z urządzenia nr 1 wyprowadzono na dach wentylator elektryczny do strefy 0A. Z szacunkowych wyliczeń wynika, że w takim układzie połączeń 10 % prądu piorunowego przepływając w kablu zasilającym wygeneruje napięcie impulsowe pomiędzy obudowami urządzeń na poziomie 25-50 kV.

Stosując zwody odsunięte unikniemy większości przedstawionych powyżej problemów.

 

 

2.5. Izolacja zewnętrznego LPS.

                                                                            Rysunek 5. Zwód odsunięty.

Wyznaczenia minimalnego odstępu iskrobezpiecznego "s" możemy dokonać za pomocą następującego wzoru:

 

gdzie:
d - rzeczywisty odstęp izolacyjny.
s - minimalny odstęp izolacyjny.
L - długość drogi do najbliższego punktu wyrównawczego.
k_i - wsp. zależny od klasy LPS (Tab. 3).
k_c - wsp. zależny od rozpływu prądu.
k_m - wsp. zależny od materiału izolacji (Tab. 4).

                                                                                Tabela 3.

                                                                                  Tabela 4.

 

 

Współczynnik k_c szacowany jest na podstawie geometrycznej konfiguracji zwodów odgromowych, a więc i sposobu rozpływu prądu w przewodach odprowadzających. Jeśli w przewodzie, na jego długości, występują różne wartości prądu płynącego w dół, to odstęp izolacyjny może być sumą odstępów cząstkowych w obliczeniu których uwzględniono specyficzne warunki na danym odcinku:

 

 

Obliczanie współczynnika k_c dla różnych układów:

                                                                      Rysunek 6.

                                                                     Rysunek 7.

Dla układów trójwymiarowych oszacowanie współczynnika kc jest bardziej skomplikowane, a jego wartość może wahać się od 1 do 1/n (n - ilość przewodów odprowadzających). W tabeli C.1. PN-EN 62305-3 podano typowe wartości k_c, który jak widać zależy dodatkowo od typu zastosowanego na obiekcie uziemienia-A lub B.

 

                                                                                Rysunek 8.

Uwaga 1:
W projekcie możemy zastosować inne wartości współczynnika k_c jeśli przeprowadzimy szczegółowe obliczenia uzasadniające wybór.
Uwaga 2: 
Proszę zauważyć, że wartości współczynnika k_i w nowej normie zostały pomniejszone o 20 % co zmniejszy o taką samą wartość liczone odstępy iskrobezpieczne.

2.6. Strefy ochronne 0_B.

W nowoczesnych rozwiązaniach instalacji odgromowych wielkość kąta osłonowego nie jest już stałą, jak wcześniej, lecz wartością zmienną zależną od poziomu ochrony odgromowej obiektu oraz od wysokości samego zwodu z którego wyprowadzono strefę ochronną.Takie ujęcie problemu jest konsekwencją naturalnych zachowań rozwijającego się wyładowania i właściwości pewnego szczególnego punktu, zwanego odległością decyzji R_d. Zależność ta opisująca R_d w zależności od prądu wyładowania I_w wyraża się następująco:

                                                                           Rysunek 9.

 Na rysunku powyżej pokazano sposób w jaki odcinek łuku aproksymowany jest poprzez prostą o kącie α . Zależności te budowane przy spełnieniu warunku S1 = S2 pokazano na Rysunku 10. Normy traktują równo-ważnie obie metody, choć oczywistym należy uznać, że metoda "toczącej się kuli" bardziej oddaje rzeczywistość niż przybliżona "metoda stożka". Popularność metody stożka wynika z łatwości operowania przestrzenią dwuwymiarową wobec trójwymiarowej w której operuje kula. W tabeli poniżej zawarto znane już z wcześniejszej normy wielkości promienia kuli w zależności od klasy ochrony.

                                                                                 Tabela 5.

                                                                                   Rysunek 10.