Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 11/2016 vyšlo tiskem
7. 11. 2016. V elektronické verzi na webu od 1. 12. 2016. 

Téma: Rozváděče a rozváděčová technika; Točivé stroje a výkonová elektronika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu

Aktuality

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Češi v domácnostech více svítí a experimentují se světlem, doma mají přes 48 milionů svítidel Češi začali v domácnostech více svítit a snaží se vytvořit lepší světelné podmínky:…

Více aktualit

Poznámky k aktivním hromosvodům

číslo 5/2006

Poznámky k aktivním hromosvodům

RNDr. Jozef Dudáš, CSc. – konzultant v oboru EMC, ochrany proti blesku a přepětí

K zachytávání bleskových výbojů, které směřují do chráněného objektu, se používají jímače. Kovové jímače deformují elektrické pole ve svém okolí a při přiblížení čela výboje mrak-země vysílají proti tomuto bleskovému výboji malé vstřícné výboje (streamery) a vytvářejí cestu pro blesk směrem k jímacímu zařízení.

Klasické a aktivní hromosvody

Za aktivní hromosvody, popř. hromosvody s aktivním jímačem, bývají označovány hromosvody, v jejichž jímací tyči jsou elektronické obvody, jejichž účelem je dosáhnout tzv. včasné emise vstřícného výboje (zkratka: ESE – early streamer emission). Výrobci aktivních jímačů (ESE) předpokládají, že pokud budou vstřícné výboje emitovány mnohem dříve, než je tomu u klasického (pasivního, Franklinova) jímače, vytvoří streamery delší vstřícnou dráhu směrem k postupujícímu blesku, „zachytí“ a usměrní bleskový výboj ve větší vzdálenosti, a aktivní jímač tak ochrání mnohem větší plochu či prostor, než by odpovídalo jejich velikosti podle výpočtu pomocí ochranného kužele nebo valící se koule (obr. 1). Předčasný výboj (jiskření) zajišťují elektronické obvody obsahující násobiče a/nebo Teslovy transformátory, které vytvoří malé atmosférické výboje o několik desítek mikrosekund dříve než klasická Franklinova tyč. Podle typu elektroniky a dosaženého předstihu výboje má ochranný prostor jímače výšky 3 m dosahovat poloměru několik desítek až stovek metrů.

Obr. 1.

Obr. 1. Princip funkce jímače ESE, vstřícný streamer se má vytvořit dříve než u klasického jímače, a proto má ochránit větší plochu

Tak obrovský ochranný prostor zjednoduší a zlevní instalaci ochranné soustavy LPS (lightning protection system), protože v mnoha případech kromě jedné aktivní jímací tyče, jednoho svodu a příslušného uzemnění není třeba instalovat žádné jiné prvky. To by mělo být výhodou zejména při ochraně historických a jiných členitých objektů, ale i rozlehlých ploch, jako jsou stadiony, průmyslové areály, vrtné věže s příslušenstvím a produktovody.

Mnohé evropské i světové laboratoře porovnávaly klasické (Franklinovy) jímače a jímače ESE. Uskutečnily se i pokusy v přírodních podmínkách v tropických bouřkových oblastech. Výsledky pokusů publikovala např. britská hromosvodářská firma FURSE (v ČR byl v periodikách publikován překlad Ing. Zdeňka Rouse). Výsledek – zásah výboje do jímače ESE a do Franklinovy tyče, měl přibližně stejnou pravděpodobnost. Nedávno vykonal srovnávací test prof. Friedhelm Noack z Technické univerzity v Ilmenau. V laboratoři vysokého napětí byly porovnávány tři různé jímače ESE (Dynasphere 3000, Pulsar 60, Prevectron S6) a dvě Franklinovy tyče, s ostrou a zakulacenou špičkou. Měřilo se napětí průrazu v elektrickém poli a emisní proudy (obr. 2 – převzato z časopisu etz, 3-4/2002). Nebyly zjištěny podstatné rozdíly mezi ESE a klasickými jímači, ale rozdíly podle geometrie špičky se objevily.

Shrnutí výsledků testů

  • jímače ESE skutečně mohou oproti Franklinově tyči dříve generovat vstřícný streamer,

  • byl pozorován a kamerou zaznamenán případ, kdy se streamer emitovaný jímačem ESE spojil s postupujícím bleskovým výbojem a jímač tento výboj zachytil,

  • uvažovaná rychlost šíření vstřícného streameru nedosahuje předpokládaných hodnot okolo 106 m·s-1, ale pouze 105 m·s-1,

  • v laboratorních ani v přírodních podmínkách zatím nebyl prokázán rozdíl v efektivitě ochrany prostoru u Franklinova jímače a ESE jímače.

Obr. 2.

Obr. 2. Test jímačů ESE a klasického jímače v laboratoři University of Manchester (převzato z [8]) – ze 420 pokusů bylo 55 (13 %) bez výboje, 165krát byl zasažen jímač ESE (40 %), 200krát byl zasažen klasický jímač (47 %) 1 – klasický jímač (Franklinův), 2 – Dynasphere, GLT Austrálie, 3 – Pulsar 60, Helita Francie, 4 –Prevectron S6, Indelec Francie

V tropických oblastech byly pozorovány škody způsobené bleskem jak na objektech chráněných klasickou jímací soustavou, tak na objektech chráněných jímači ESE. To znamená, že samotný argument, že byl objekt zasažen mimo jímač ESE, není dostatečný, protože ke stejnému jevu dochází i na objektech s klasickými jímači.

Jímače ESE mají oporu v národních normách Francie, Španělska a Slovenska (STN 34 1391 Elektrotechnické predpisy. Výber a stavba elektrických zariadení. Ochrana pred bleskom. Aktívne bleskozvody). Co se týče jiných norem, např. ČSN 34 1390, popř. nové IEC-62305-3, pohlíží se na jímače ESE tak jako na Franklinovy tyče a bere se v úvahu pouze jejich fyzická výška.

Důkazní břemeno je tedy na straně výrobců aktivních jímačů, kteří sice uskutečnili mnoho dílčích testů s měřením doby emise, rychlosti šíření streamerů, schopnosti svádět bleskové proudy apod., avšak neudělali systematický vědecky podložený výzkum s jednoznačnými důkazy, za jakých podmínek by mohl být jímač ESE použit výhodněji než klasický Franklinův systém.

Podstatná výhoda systému ESE – počet svodů omezený na jeden až dva – s sebou nese nevýhodu velkých elektromagnetických polí v okolí svodu a velkých vzdáleností potřebných k zamezení přeskoku jiskry z hromosvodu na jiné kovové předměty, které nejsou s hromosvodem v daném místě vodivě spojeny.

Důvody obou jevů jsou zřejmé. Když celý svedený bleskový proud prochází jedním svodem, vytváří ve svém okolí n-krát větší pole než n svodů a obdobně je na něm n-krát větší úbytek napětí. Na všech kovových vedeních uvnitř budovy v blízkosti svodu vzniká mnohem větší indukované přepětí než u klasických ochranných soustav s mnohými svody. V některých případech, kdy je vytvořen předpis pro maximální úroveň rušivých polí v místech umístění přístrojů a vedení metalické kabeláže, může být velikost vytvořeného pole při svedení bleskového proudu důvodem k tomu, že i k jímači ESE je nutné instalovat více svodů. Jímač ESE pak již nemá výhodu levnější montáže a menší spotřeby materiálu na jímací vedení, jímače a svody. Problém dostatečných vzdáleností od svodu může vést ke stejnému výsledku a zmenšit či zcela eliminovat deklarované výhody systému ESE.

Dodavatelé jímačů ESE první problém (pole a indukované přepětí) alespoň částečně řeší současnou dodávkou a instalací komplexního systému přepěťových ochran. Druhý problém – dostatečné izolační vzdálenosti od svodu – někteří výrobci řeší dodávkou speciálních izolovaných a stíněných nízkoimpedančních vodičů pro svody. Obě řešení jsou pro daný případ správná a lze je jistě doporučit i u objektů s klasickou jímací soustavou.

U mnoha moderních objektů stavěných za použití železobetonu a kovových stavebních prvků, jsou-li správně aplikovány normy o ochraně proti LEMP (lightning electro-magnetic puls – indukce z blízkého a přímého úderu blesku), je už stavebními prvky vytvořena vlastně Faradayova klec. Systém vodivých stavebních prvků zároveň tvoří mnohočetné přirozené (náhodné) svody, jejichž počet a dimenzování často překračují počet svodů doporučených normou. V takovém případě jímače ESE podstatně ztrácejí na konkurenční výhodě instalační jednoduchosti.

Shrnutí

Závěrem lze konstatovat, že výhody jímačů ESE zatím nebyly vědecky prokázány a jejich použití nemá oporu v platných českých a mezinárodních normách. Musely by tedy být použity francouzské, španělské nebo slovenské národní normy.

Vývoj v oblasti hromosvodné instalace se nezastavil u jímačů ESE. Zkoušeny jsou naváděné laserové systémy, které jsou schopny svádět bleskové výboje mimo chráněný objekt a prostor (analogie oddálených hromosvodů). Jejich cena však může být efektivní pouze u objektů zvláštního významu, jako jsou např. startovací rampy raketoplánů, vojenské a vládní speciální objekty apod.

Zcela vážně jsou nabízeny i systémy zamezující zásah blesku do chráněného objektu (lightning elimination). Systémy s mnoha hroty připomínající ostnatý drát mají zabránit zásahu do chráněného objektu tím, že „vybijí“ mrak nad objektem (zneutralizují jeho náboj) nebo zruší elektrické pole v okolí objektu a zabrání vzniku vstřícných streamerů, a mrak se tedy vybije někde opodál. Systémy s „rozptylujícími paprsky„ nebo s „přenosem elektrického náboje„ bývají instalovány na vyvýšeném místě nad objektem a pro svou správnou funkci musí být svodem spojeny s uzemněním. Stávají se tak často „oběťmi„ přímého úderu blesku a místo „odpuzování“ v těchto (přirozených) případech plní funkci jímačů.

Literatura:
[1] Firemní materiály Indelec.
[2] Firemní materiály ERICO.
[3] ČSN 34 1390 Předpisy pro ochranu před bleskem.
[4] STN 341391 Elektrotechnické predpisy. Výber a stavba elektrických zariadení. Ochrana pred bleskom. Aktívne bleskozvody.
[5] IEC 62305-1 Protection against lightning – Part 1: General principes. 2006-01-17.
[6] IEC 62305-3 Protection against lightning – Part 2: Risk – Management. 2006-01-17.
[7] KOPECKY, V.: EMV, Blitz- und Überspannungsschutz von A bis Z, Sicher planen, prüffen und errichten. (EMC, ochrana proti blesku a přepětí od A do Z. S jistotou plánovat, zkoušet a instalovat), Hüthig & Pflaum, 2005.
[8] UMAN, M. A. – RAKOV, V. A.: A critical review of nonconventional approaches to lightning protection. American Meteorological Society, 2002.
[8] NOACK, F.: Early streamer Emission devices – Verbesserung des Blitzschutzes? etz, Heft 3-4/2002.
[9] ROUS, Z. a kol.: Hromosvody a zemniče. IN-EL, svazek 6, edice Dílenská příručka.