Recenze

Jsou hromosvody spolehlivé?

Vymyslet hromosvod je velmi jednoduché. Blesk je jen dlouhá jiskra, která prorazí vrstvu vzduchu, velmi kvalitní izolant. Čím je tato vrstva silnější, tím je obtížnější ji prorazit. To znamená, že bleskům je třeba pomoci zkrácením délky izolační mezery. K tomu slouží kovový čep hromosvodu. Vynecháváme nejrůznější „maličkosti“, jako je dokazování elektrické podstaty blesku a nastavení zcela nebezpečného experimentu s pouštěním draka do bouřkového mraku. B. Franklina stály hodně. Naštěstí pro něj had netahal drát, ale tenkou tkaninu. I když byla mokrá, byla velmi průměrnou průvodkyní. Jinak by bylo Franklinovo jméno postaveno na roveň G. Richmanovi, první oběti mezi slavnými výzkumníky blesků. Jeho busta stojí na jedné z ulic Pärnu v Estonsku, odkud pochází.

Od té doby uplynulo dvě a půl století. Bleskosvod se zásadně nezměnil. Jedná se o stejnou uzemněnou tyčovou elektrodu na budovách nebo v jejich blízkosti a na elektrických vedeních – vodorovný uzemněný vodič zavěšený nad vysokonapěťovými dráty. Je jasné, že pro spolehlivý provoz musí hromosvod povstát nad chráněnou konstrukcí. Otázka, o kolik vyšší, pokusili se to vyřešit až v polovině minulého století. Výzkumníci opět použili analogii mezi dlouhou jiskrou a bleskem. V hale vysokého napětí byl instalován model chráněného objektu a model jeho hromosvodu. Roli blesku plnila jiskra dlouhá 1–5 m.

Rýže. 1. Takto vypadá fotografie mnoha jiskrových kanálů při testování modelu hromosvodu

Po provedení několika stovek experimentů bylo možné vidět, kolik jisker hromosvod zachytil, kolik z nich dopadlo na zem a jak velké bylo procento těch, které ještě prorazily k chráněnému objektu. Tak vznikly úplně první zóny ochrany před bleskem. Hranice zóny omezovala chráněný prostor v okolí hromosvodu. Lišil se tím, že jakýkoli objekt zcela umístěný uvnitř zóny byl zasažen bleskem s pravděpodobností ne větší než daná.

Ochranná pásma byla zavedena do regulačních dokumentů mnoha zemí, včetně Ruska. V tomto ohledu máme dokonce přehnané dvě sady zón, které fungují současně. V regulačním dokumentu „Pokyny pro instalaci ochrany před bleskem budov a staveb RD 34.21.122-87“ není jejich spolehlivost konkrétně uvedena. Uvádí se pouze, že v zóně A je vyšší než v zóně B. A v novější normě z roku 2003 „Pokyny pro instalaci ochrany před bleskem budov, staveb a průmyslových komunikací“ jsou ochranným zónám přiřazena velmi specifická spolehlivost: 0,9 , 0,99 nebo 0,999. Tyto devítky se dají snadno rozluštit. Se spolehlivostí 0,9 prorazí do chráněného objektu jeden blesk z deseti se spolehlivostí 0,999, jeden z tisíce;

Přechod na pravděpodobnostní odhady znamená, že nemůžete počítat s dokonalým hromosvodem, stejně jako nemusíte přemýšlet o dokonale spolehlivém autě nebo botách, které vydrží věčně. Jakékoli technické zařízení je omezeno svými schopnostmi a hromosvod není výjimkou.

Pak je přirozené položit si jednoduchou otázku – jak zjistit spolehlivost hromosvodu? Odpověď se zdá zřejmá. Je nutné organizovat monitorování různých konstrukcí chráněných hromosvody. Je snadné si představit, kolik to bude stát. Věž nebo podpěra s výškou řekněme 30 m, namontovaná ve středním Rusku, utrpí v průměru asi 1 úder blesku za 15 let provozu. Chcete-li nějak posoudit spolehlivost ochrany na úrovni 0,999, budete muset sledovat ne méně než 1000 15 blesků. To bude trvat přibližně 000 XNUMX let. Málokdy s tím bude experimentátor souhlasit. Dobu pozorování lze zkrátit zvýšením počtu pozorovaných objektů. Ve skutečnosti se budeme bavit minimálně o několika stovkách, což bude vyžadovat hodně úsilí a peněz.

Specialista řekne, že ve skutečnosti bude nutné výsledný odhad mnohonásobně zvýšit, protože pozemní konstrukce a hromosvody se velmi liší výškou. Budete muset sledovat veškerou jejich rozmanitost.

Je čas, aby mi kritický čtenář vyčítal tím, že mi připomene laboratorní modelování. Nahrazením blesku dlouhou jiskrou můžete mnohem rychleji sbírat potřebné statistiky. O nárůstu rychlosti není pochyb, ale totéž se nedá říci o výsledcích laboratorních testů. Dosud byly prováděny jiskrami o délce až 30 m. Bohužel nebyly získány jednoznačné výsledky. Pravděpodobnost průniku blesku přes model hromosvodu do modelu chráněného objektu se ukázala být závislá jak na měřítku modelu, tak na rychlosti nárůstu napětí ve výbojové mezeře, ve které je model instalován. Laboratorní modelování je vhodné pro kvalitativní srovnání hromosvodů různých typů, avšak spolehlivost kvantitativních odhadů spolehlivosti ochrany vzbuzuje velmi vážné pochybnosti.

Situace, která nastala v ochraně před bleskem, je mimořádně příznivá pro všechny druhy spekulací. Nenechali nás čekat. Sotva stojí za to analyzovat všechny ty rozmanité strhující metodologické konstrukce, které se dosud nashromáždily, ale nelze jednu z nich vynechat. Metodu rolující koule zná nejen většina konstruktérů, ale je součástí normy ochrany před bleskem Mezinárodní elektrotechnické komise (IEC) 62305. Ruský Gosstandart již přeložil dva svazky této normy a vydal je pod značkou GOST-R . Další na řadě je třetí díl s touto velmi rolující koulí. Pro mě je děsivější než monstra z Goyových leptů.

Rýže. 2. Metoda valivých koulí

Metoda je nejen jednoduchá, ale dokonce i elegantní. K dispozici je koule o přesně stanoveném poloměru. Musí se opřít o hromosvod, jak je znázorněno na obrázku, a otočit kolem něj. Vše pod hranicí stopy valící se koule je chráněno před bleskem (obr. 2). Zbytek není. Bleskosvodů může být několik. Pak na nich může střídavě spočívat rolující koule, která popisuje chráněný prostor, ve kterém se má chráněný objekt nacházet. Norma IEC specifikuje hodnoty pro poloměr valící se koule: 20 m, 30 m, 45 m, 60 m pro stupně ochrany I, II, III a IV, respektive zaručující spolehlivost 0,98, 0,95, 0,9 a 0,8. Rád bych věděl, odkud tyto hodnoty pocházejí. O tomto skóre je naprosté ticho jak ve vědecké literatuře, tak v samotné normě. Není možné dostat se na dno metody, i když opravdu chci. Kvantitativní analýza zde není k dispozici. Musíme se spolehnout na kvalitativní vzory čerpané z mnohaletých provozních zkušeností a teorie jiskrového výboje.

Rýže. 3. První důsledek metody valící se koule

Na Obr. 3 tyčový hromosvod, jehož výška se pro danou úroveň spolehlivosti rovná poloměru valící se koule. Koule popisuje kuželovou plochu, která by měla být považována za hranici ochranné zóny hromosvodu. Podívej, začíná to přímo od vrcholu. To znamená, že hromosvod dokáže s vysokou spolehlivostí ochránit blízký objekt bez znatelného přebytku. Absurditu tohoto důsledku metody valivých koulí lze snadno ověřit alespoň v laboratoři. Stačí nainstalovat dvě tyče stejné výšky blízko u sebe, jednu z nich označit písmenem M (hromosvod), druhou písmenem O (objekt). Nyní musíte pálit dlouhé jiskry na konstrukci a počítat počet zásahů na každé z tyčí. Se stejnými výškami bude výsledek zřejmý – stejně. Výhodu hromosvodu lze odhalit pouze jeho zvýšenou výškou.

První absurdita je zřejmá. Obecně lze říci, že to již k diskreditaci metody stačí. Nemohu však odmítnout předvést další přesvědčivou absurditu. Zvětšeme výšku hromosvodu tak, aby byl větší než poloměr valící se koule. Ochranná zóna před tímto se nezvýší, stejně jako spolehlivost ochrany je v naprostém rozporu s provozními zkušenostmi! Hromosvod můžete zvednout i na úroveň Babylonské věže. U valící se koule by to nemělo vést k pozitivnímu efektu. To je způsob výpočtu hromosvodů, který se v Rusku snaží zavést zvláště horliví fanoušci společného trhu.

Nyní je čas mluvit o domácí praxi výběru hromosvodů. Hlavní princip je zde neotřesitelný. Jakýkoli hromosvod může pouze poskytnout maximální spolehlivost ochrany. Pro libovolný počet „devítek“ je to určitě méně než jedna. To je způsobeno výstředností trajektorie blesku (a také dlouhé jiskry). Ne vždy se řídí Franklinovými představami o pohybu na nejkratší vzdálenost. Nemohu odolat a ukázat dvě fotografie, které pravděpodobně kolovaly ve stovkách různých publikací. První z nich získali specialisté z Energy

Rýže. 4. Podivnost trajektorií dlouhé jiskry a blesku

Ústav pojmenovaný po G.M. Krizhanovsky na televizní věži Ostankino. Blesk tam minul vrchol o 202 m! Druhá fotografie byla pořízena během experimentů na vysokonapěťovém stojanu v Sibiřském institutu pro výzkum elektrické energie. Válcová věž na fotografii je vysokonapěťový generátor vysoký asi 35 m Z jeho vrcholu se spustila dlouhá jiskra při napětí téměř 5 MV, ale místo toho, aby se vydala nejkratší cestou k zemi, zvolila let do výšky. -napěťové elektrické vedení ve vzdálenosti větší než 100 m.

Zdá se, že nejen mikrokosmos podléhá pravděpodobnostním zákonitostem. Statistický popis musí být také aplikován na trajektorii blesku. Je nemožné předpovědět dráhu konkrétního blesku. Vypočítat lze pouze pravděpodobnost jeho výskytu v konkrétním místě, stanovenou pro řadu mnoha elektrických výbojů. Domácí metoda výpočtu se právně nazývá statistická. Odhaduje pravděpodobnosti dvou událostí. Nejprve se vypočítá pravděpodobnost blesková orientace ve směru soustavy pozemních objektů (může to být soubor konstrukcí a hromosvodů, které je chrání), a dále pak problematika výběr místa dopadu orientovaný blesk – na povrchu jednoho z hromosvodů nebo na chráněném objektu. Součástí výpočtů jsou geometrické rozměry hromosvodů a objektů a hlavně dva statistické parametry, standardy orientace a výběru, které určují možné limity šíření trajektorií. Jejich spolehlivé určení je velmi velký problém. Pro její přibližné řešení slouží statistiky nashromážděné při provozu hromosvodů, především hromosvodů na elektrických vedeních.

Přestože pozorování probíhají již více než půl století, shromážděná data nejsou příliš reprezentativní a vztahují se k poměrně úzkému rozmezí nadmořských výšek (hlavně 20 – 40 m). Proto dnes není třeba hovořit o absolutní spolehlivosti statistické metodiky. V nejlepším případě lze odůvodnit odhady 0,999. Na rozdíl od metody valící se koule nevede statistická metoda k absurdním důsledkům. V každém případě požaduje, aby hromosvod přesahoval chráněný objekt, pokud je spolehlivost ochrany větší než 0,5. Podívejte se prosím na ochranné pásmo jednotyčového hromosvodu vysokého 30 m, postaveného statistickou metodou. Se spolehlivostí ochrany 0,9 nezačíná od vrcholu hromosvodu, ale o 15 % níže; se spolehlivostí o 0,999 – 30 % nižší. Efekt zvýšení spolehlivosti ochrany s rostoucí výškou hromosvodu snadno zapadá do statistické metodiky.

Zde je na místě mluvit o jednom nepříliš užitečném zvyku domácích projektantů ochrany před bleskem. Nejraději vybírají hromosvody podle ochranných zón. Je snadné nakreslit typickou zónu. Za tímto účelem poskytují regulační dokumenty soubor základních vzorců a na internetu je dostatek jednoduchých výpočetních programů s krásnými, i když zbytečnými obrázky. Zbývá zkontrolovat, zda se chráněný objekt vejde do vnitřního objemu zóny konstruované na výkrese. Pokud ano, je zajištěna ochrana. Nyní o nebezpečích této praxe.

Když byla v Moskvě restaurována katedrála Krista Spasitele, projektanti počítali s tím, že vzhledem k její značné výšce je třeba počítat s téměř každoročním úderem blesku. Je možné, že k této ráně dojde o prázdninách s velkým davem lidí na verandě. Pro zaručení bezpečnosti farníků bylo nutné zajistit, aby se bleskový proud šířil velmi rozsáhlým systémem podzemních přípojnic, čímž se minimalizovala kroková napětí.

V mnoha reálných situacích bude návrh ochranných zón nadbytečný. Objekt zřídka zaplňuje celý objekt zóny a často se mnoho jeho stavebních prvků nachází poměrně daleko od hranice. V takové situaci může být skutečná spolehlivost ochrany mnohem vyšší, než je požadováno, ale projektant nemá jak vědět, jak moc. Za druhé, ochranné zóny lze budovat pouze pro hromosvody jednoho typu (tyč nebo kabel), a to i jednoduché nebo dvojité a nutně stejné výšky. Tím je jejich rozsah ostře omezen, a tedy i možnost volby optimálního systému hromosvodu. Je užitečné uvést několik příkladů, abychom ocenili, jak vážné mohou být ztráty. Pro tento účel je vhodný software vyvinutý pomocí statistických metod. Předmětem ochrany budiž velká nádrž o výšce 20 m a průměru 60 m Předpokládejme, že technické požadavky neumožňují instalaci hromosvodů ve vzdálenosti blíže než 20 m od nádrže. Vypočítané údaje na Obr. 5 ukazuje, jak se mění pravděpodobnost průniku blesku do nádrže v závislosti na výšce a počtu hromosvodů. Rozdíl mezi jedním hromosvodem vysokým 100 m a čtyřmi hromosvody vysokými 28 m je příliš závažný na to, aby bylo možné zanedbat případné úspory kovu a peněz. Přechod na používání vícenásobných hromosvodů v praxi znamená možnost opuštění návrhu a montáže výškové konstrukce a použití standardních komerčně vyráběných tyčových hromosvodů, jejichž instalace nečiní žádné zvláštní problémy. .

Tím výhody nekončí. Již předchozí články popisovaly, že počet úderů blesku roste s výškou konstrukce. Například pro jednotlivé konstrukce o malé ploše (stožáry, hromosvody) je závislost na výšce konstrukce kvadratická. To znamená, že tyčový hromosvod o výšce 110 m pohltí přibližně 10x více úderů blesku než 28metrový.

Rýže. 5. Posouzení výhod více hromosvodů

design. To je velmi užitečné pro omezení počtu nebezpečných elektromagnetických interferencí na řídicích a automatizačních obvodech chráněného objektu.

Dá se problém navrhování hromosvodů považovat za vyřešený? Bohužel odpověď zní ne. Moderní technika potřebuje nejen spolehlivé hromosvody, ale také takové, které lze instalovat v uctivé vzdálenosti od chráněného objektu. V tomto případě nebude bleskový proud v kovových konstrukcích hromosvodu schopen vytvářet silné elektromagnetické rušení nebezpečné pro vnitřní obvody zařízení. Dnes je tento úkol jedním z nejdůležitějších. Její rozhodnutí je před námi.

E. M. Bazelyan, doktor technických věd, profesor
Energetický institut pojmenovaný po G.M. Kržižanovskij, Moskva

Doufáme, že tyto stránky budou v budoucnu sloužit jako základní učebnice sebeobrany před bleskem. Plánujeme zde neustále zveřejňovat články o skutečných nebezpečích bleskové elektřiny a moderních prostředků ochrany před bleskem. Jsou navrženy tak, aby vám pomohly pochopit podstatu problému a vyhodnotit způsoby, které máte k dispozici k jeho řešení.

viz též: