Обикновени или активни мълниеотводи



Проф. д.т.н. Стефан Илиев, РОСТИ ЕООД, email

Инж. Питър Респондек, DEHN+SOEHNE GmbH, Германия


Актуалността на проблема се дефинира от голямата отговорност и материалните ценности, които трябва да бъдат защитени с избора на външната защита срещу мълнии.

Представя се: обобщена информация за една многогодишна дискусия, изразена в изследвания на международни водещи институти и специалисти за възможностите на обикновените (традиционните) и активните мълниеотводи за защита на сгради и съоръжения от мълнии; отношение на международните стaндарти към този проблем и изводи за нашите условия.


Увод

Търсенето на алтернативни защитни мероприятия за изграждане на външна мълниезащита датира от преди около 200 години. Очертават се две основни направления:

  • увеличаване броя на остриетата на обикновените мълниеотводи и повишаване височината на закрепване;
  • допълнително изкуствено повишаване йонизацията на острието на мълниеотвода. Това се прави: с радиоактивен източник, източник с пулсиращо напрежeние, специална форма на мълниеотвода изкуствено повишаваща йонизацията. Тези мълниеотводи са известни в литературните изследвания обобщено с названията: ESE - мълниеотводи (от англ. Early Streamer Emission), мълниеотводи с изпреварващо действие, активни мълниеотводи, йонизиращи мълниеотводи и др.

Международни изследвания

1. Правени са обширни сравнителни измервания на корона емисионен ток при различно формирани мълниеостриета (щанги със закръглени или остри върхове, обикновен метален прът от мед, алуминий или стомана, т.н. Франклин мълниеотвод, прост проводник, извит във V- форма проводник, "цепната" топка).

Установява се, че емисионният ток се увеличава с повишаване на електрическата сила на полето Е kV/m, обаче слабо се влияе от различния вид на остриетата. Същото се отнася и за емисионния ток на йонизиращ елипсоидно оформен мълниеотвод (с 350 mm), включен в указаните измервания. [1, 2].

2. Повече от 10 год.различни фирми - производители се стремят да развият активните мълниеотводи и да докажат тяхното преимущество над обикновените. Изследванията се правят преди всичко в лабораторни условия. Резултатите [1, 3, 4] показват, че времето на пробива настъпва по-рано с Т = 10 - 50 µs в йонизиращите в сравнение с обикновените мълниеотводи. Въз основа на това се изчислява 4 - 6 кратно "виртуално" увеличение на височината на мълниеотводите с активно действие т.е. съответно подобряване на защитното действие, уголемяване на защитното пространство, възможно намаляване на броя на мълниеотводите.

3. Особено мащабни са лабораторните измервания проведени в Университета в Манчестер, Институт за наука и технология [5]. Уместно е да се дадат за тези, отличаващи се с безпристрастност, изследвания повече подробности.

Използват се закупени стандартни и патентовани в пазарни условия активни мълниеотводи:

  • Dynasphere 3000, GLT, Австралия
  • Pulsar 60, HELITA, Франция
  • Prevectron S6, INDELEC, Франция

и обикновеният Франклин - мълниеотвод, щанга 1 м. дълга, от масивна мед с 15 mm диаметър.

Буреносният облак е симулиран с алуминиев плот 3 x 3 м, с 250 mm дебела тръбна периферия, поставена на височина 2,5 м.

Изследванията са извършени според електрическите и геометрични условия поставени във Френския стандарт NFC 17 - 102 (приложение С).

Двата мълниеотвода (активен и обикновен) при опитите са на еднакво отстояние от средната точка на алуминиевия високонапреженов плот. Мълниеотводите са подложени на 35 "удара" или разряда на импулсния генератор. След това се разменят местата на мълниеотводите, с което се изключва всякакво предимство на позицията им и опитите се провеждат отново. Така описаната процедура се провежда и с останалите активни мълниеотводи.

В резултат на 12 тест - серии и 420 изпразвания (разтоварвания) 200 срещат обикновения мълниеотвод (47,6%), 165 - активния мълниеотвод (39,3%), при 55 (13,1%) - няма пробив.

Опитите показват случайния характер на мълниеотводния (пробивния) процес. Въпреки относително късото въздушно пробивно разстояние не се установява по-голяма честота на разряда през активните мълниеотводи.

Тези изследвания представят пълен естествен спектър от попадения върху обикновен (Франклин) и активни (ЕSE) мъниеотводи при идентични електрически и геометрически условия. Резултатите от тях не дават никакво предимство на един мълниеотвод спрямо друг. [5].

4. В САЩ при дейността на NFPA по тема "ESE мълниеотводи" на 27.04.2000 г. на състоялата се Hearing in New York City при обсъждане на много становища се приема решение от Standards Council, че няма икономически и технически сигурни сведения за предимство в поведението на активните (ESE) пред нормалните мълниеотводи. Отхвърля се предложението за ESE - стандарт, а дейността в това направление е спряна. [6].

5. На 25 - тата Международна мълниезащитна конференция в Родос - Гърция, [14] е направено съобщение за практически действащи активни мълниеотводи, включени в Малайзия. От 90 - те години в столицата Куала - Лумпур са монтирани многобройни, с различни форми на изпълнение активни мълниеотводи. Куала - Лумпур се намира в зона с изключително висока атмосферна активност, с над 200 буреносни дни в годината и с това предлага добра възможност да се изследва действието на мълниезащитните устройства в естествени условия. Изходното състояние на над 25 сгради с монтирани активни мълниеотводи се фотографира, за да се документират повредите след попадения на мълнии. В продължение на няколко месеца до няколко години се наблюдават обектите. Има сгради улучвани и повреждани по няколко пъти за няколко месеца. Около 80% от сградите с над 60 м. височина са улучвани най-малко 1 път в продължение на 2,5 - 3 год. след инсталиране на ESE мълниеотвод. Документацията на повредите ясно показва, че те не са в състояние да предпазят сградите от директни попадения. Не само ъглите и ръбовете на сградата, а също покривното било и закръглени структури се оказват предпочитано място за попадение. Забележително е, че някои места на попадение са в близост до мълниеотвода, както и в защитената от него област. Установява се, че е неоснователно да се приеме по-високо защитно действие на активните мълниеотводи. Експертите на Малайзия изискват мълниезащитата да не се прави с активни мълниеотводи.[7].

Сведения за директни попадения на мълнии в защитните зони на активни мълниеотводи се съобщават и за: жилищна сграда в Полша [8], Ватикана (Bernini - Kollonade) [9] и др.

6. В Техническия Университет, Дармщад, Германия са правени изследвания с ESE мълниеотводи [8]. Използвани са импулсни вълни 1,2 / 50 µs и 250 / 2500 µs и пробивни разстояния от 0,1 - 4 м. Определя се разликата във времето за пробив при Франклин - и ESE - мълниеотводи. Указва се, че пробивът в обикновените мълниеотводи често се развива по-бързо отколкото при ESE мълниеотводите. Изводите от тези изследвания са, че ESE мълниеотводите са не само не ефективни, но и концепцията на която се базират е фалшива.


Отношение на Международните стандарти към въпроса

За страните - членки на Европейския Съюз важи следната директива: до октомври 2004г. всички страни, които имат национални норми трябва да въведат Европейските стандарти.

Интернационалните (IEC) и Европейски (EN) норми не приемат представените в различни изследвания аргументи за повишаване на защитното пространство от активните мълниеотводи. Дори във Френските норми NFC 17 - 102 е отбелязано: "Нито една IEC публикация, съгласувана с CENELEC не отговаря на този стандарт (No IEC publication par CENELEC harmoniced document correspond to this standard)". Също така, съгласно френския стандарт, по-ранния във времето измерен пробив при ESE мълниеотводите [1, 3, 4] може да служи само за сравнение между тях, но не доказва, че са по-добри от конвенционалните [8, 10].

Теоретичните, експериментални и натурни изследвания показват несъгласие с данните от NFC 17 - 102 и от производителите за едно по-добро мълниезащитно поведение на т.н. активни мълниеводи (ESE устройства).

В ЕС производството и употребата на радиоактивни мълниеводи е ограничено през последните години и бива забранено въз основа на строгите разпореждания за защита от излъчвания. Оттогава производителите търсят да намерят подходящ заместител.

Предвид изложеното интернационалните, европейските и повечето национални стандарти препоръчват употребата на фарадеевия кафез или на обикновения (Франклинов) мълниевод, като единствено сигурно мълниезащитно мероприятие при изграждане на мълниезащитни съоръжения.

Поради недостатъчното изследване на пробивните процеси и сложното им симулиране, остава спорно твърдението, че активните мълниеводни устройства притежават повишени защитни функции. Дори и отчасти не е било възможно до сега да се докажат предимствата им при реални условия на експлоатация.

Сравнителни тестове в лаборатории за високи напрежения, при условия близки до реалните, водят до извода, че активните мълниеводни устройства реагират като прости Франклин мълниеводи, взимайки под внимание стохастичния характер на пробивния процес.


Изводи

1. Европейските (EN) и интернационалните (IЕС) стандарти са обективно обоснованите норми за нашите специалисти по мълниезащитни съоръжения. Те стават и задължителни, предвид предстоящето присъединяване на България в ЕС.

2. Активните мълниеводи реагират като обикновени мълниеводи т.е. "виртуално" увеличеното защитно пространство (това извън реалното, осигурявано от обикновените мълниеводи), оставя сградите и съоръженията без външна мълниезащита.


Литература

1. F. Noack. Ueber die Wirksamkeit von ESE - Fangeinrichtungen Blitz - und Ueberspannungsschutz, Massnahmen der EMV. 7. Forum fuer Versicherer. 23 - 24.02.2000, Neumarkt.

2. F. D'Allessandro, G. Berger. Laboratory studies of corona current emissions from blunt, sharp and multipointed air terminials, Proc. 24 th ICLP Birmingham, 1998. S. 418 - 424.

3. B.Thirion, J. M. Capron. Characterisation of Early Streamer Emission rods in High Voltage Laboratories, Proc. Conf. Lightning and Mountains 1997, Chamonix, S. 298 - 302.

4. G. Berger. Formation of the positive Leader of long air Sparks for various types of rod conductors. Proc. Conf. Lightning and Mountains 1994, Chamonix, S. 43 - 46.

5. University of Manchester, The results of tests of ESE - Franklin terminals, Test Report No 43427.

6. P. Hasse. Zusammenfassung und Ausblick, Blitz - und Ueberspannungsschutz, Massnahmen der EMV, 7. Forum fuer Versicherer, 23 - 24.02.2000, Neumarkt.

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

8. Chrzan K.L. Untersuchungen an Early Streamer Emission - Frangstangen, 5. VDE / ABB - Blitzschutztagung am 13 -14 November 2003. Neu - Ulm. S. 221 - 228.

9. Golde R.H. Lightning conductor. In: Golde R.H. Lightning, vol. 2. Academic Press 1977, pp.572.

10. Norme francaise NFC 17 - 102: Protection des structures et des yones ouventes contre la foudre par paratonnerre a dispositif d'amorcage. Juillet 1995.

11. DIN VENV 61024 - 1 (VDE 0185 Teil 100): 1996 - 08. Blitzschutz baulicher Anlagen. Teil 1: Allgemeine Grundsaetze (IEC 61024 - 1: 1990 modifiziert)

12. IEC 1024 - 1: 1990. Protection of structures against lightning. Part 1: General principles.

13. VDE V 0185: 2002. Die neuen Blitzschutz - Vornormen.

14. Hartono Z.A., I. Robiah. A study of non - conventional air terminals and stricken points in a high thunderstorm region. 25th International Conference on Lightning Protection. ICLP 2000, Rhodes - Greece.