Výzkumy na jímačích ESE

Výzkumy na jímačích ESE

Krystian Leonard Chrzan

Jak radioaktivní snímače, tak i jímače ESE (Early Streamer Emission – s urychleným vysláním vstřícného výboje) nejsou uznávány odbornými grémii.
Na základě masivní reklamy jsou aktivní jímače vyráběny a prodávány v mnoha zemích.
V posledních 30 letech bylo instalováno přibližně 100 tis. těchto zařízení. Některé publikace uvádějí teoretické úvahy ohledně mechanismu jejich činnosti; ty se však v laboratoři velmi těžko prokazují. V Německu byly aktivní jímače experimentálně zkoumány Baatzem, Noackem a Chrzanem [1], [2], [3]. Měření v laboratoři a mnohé zkoušky za přirozených podmínek dokazují, že jímače ESE nevykazují lepší vlastnosti než konvenční jímače. Hypotéza, na níž jsou založeny jímače ESE, je falešná.

Již v 18. století bylo poprvé zaznamenáno selhání konvenčních jímacích zařízení [4]. K prvnímu známému případu patří poškození skladiště střelného prachu v Purfleetu blízko Londýna (Velká Británie), který byl zasažen bleskem v roce 1777. Blesk neudeřil do jímací tyče vztyčené uprostřed střechy, ale do rohu zdi vzdáleného 13 m.

Vylepšené jímací tyče byly již v 19. století nabízeny různými obchodními organizacemi. Leo Szilard, spolupracovník Marie Curieové, navrhl použití radioaktivních prvků ke zlepšení ochranného účinku tyčových jímačů. Jeho nápad byl po osmnácti letech realizován firmou Helita [5]. Použití radioaktivních prvků bylo začátkem roku 1980 v mnohých zemích omezeno na základě zpřísněných podmínek pro ochranu před radioaktivním vyzařováním. Již v roce 1982 vyráběla Helita novou jímací tyč nazvanou Pulsar. Toto zařízení pracovalo na principu Early Streamer Emission (ESE). Dalším jímačem na principu ESE je model Dynasphere od firmy Erico [6].

Dosavadní pokusy na radioaktivních jímačích

Prof. dr. Ing. Herbert Baatz v laboratoři dokázal, že radioaktivní tyčové jímače nezlepšují ochranu před bleskem [1]. Průrazná napětí vzdušné dráhy o délce 5,4 m nevykazují žádné podstatné zlepšení v režimu elektrického rázu oproti Franklinovým jímačům (tab. 1).

Výsledky výzkumů Baatze byly potvrzeny Číňany [7]. Wu Pu-san a jiní zaznamenávali četnost průrazů k radioaktivním a konvenčním tyčím při rázech s různými časovými parametry při vzdálenosti 5 m. Četnost průrazů byla téměř stejná jako u konvenčních jímacích tyčí (tab. 2).

Kenneth P. Heary a jiní srovnávali četnosti průrazů k radioaktivním a konvenčním tyčovým jímačům při spínacím rázu vlny 250/2 500 µs [8]. Výsledkem bylo zjištění, že při uspořádání deska-hrot byly registrovány malé výhody aktivních jímačů při vzdálenosti 3,7 m, zvláště při relativně vysoké vlhkosti vzduchu (obr. 1).

Tab. 2. Četnost průrazů k radioaktivním jímacím tyčím [7]

Při relativní vlhkosti vzduchu menší než 70 % se rozdělují body při četnosti 50 %. Teprve při vyšší relativní vlhkosti je četnost průrazů přibližně 60 %. Účinnost radioaktivních tyčových jímačů není vysoká. Při zvolených experimentálních podmínkách [8] bylo zvláště použití uspořádání deska-hrot silně kritizováno jinými odborníky. Pro takovéto pokusy je více vhodné uspořádání hrot-hrot.

Obr 1. Četnost průrazů k radioaktivním jímacím tyčím ve srovnání ke konvenčním jímacím tyčím v závislosti na relativní vlhkosti [8]

Dr. David Mackerras a jiní zaznamenali četné případy selhání asi 100 radioaktivních tyčových jímačů, které byly instalovány v roce 1980 v Singapuru [9].

Dr. Rudolf Heinrich Golde ve své zprávě referuje o úderu blesku v roce 1976 ve Vatikánu. Blesk udeřil do Berniniho kolonády ve vzdálenosti 150 m od radioaktivního jímače [10]. Výrobci tehdy tvrdili, že ochranný prostor těchto aktivních tyčových jímačů byl 250 m.

Dosud realizovaný výzkum na jímačích ESE

Existuje více publikací, které popisují teoretické principy (hypotézy) jímačů ESE. Avšak experimentálních prací je málo. Podle francouzské normy NF C17-102: 1995-07 [14] měřená doba průrazu Dt může sloužit jen pro srovnání různých jímačů ESE. Doba průrazu Dt nedokazuje, že jímače ESE jsou lepší než konvenční jímací tyče. Dr. Norman L. Allen dokázal, že jímací tyč ESE v laboratorních podmínkách nemá žádné výhody oproti Franklinově jímací tyči [15]. V tab. 3 jsou ukázána padesátiprocentní průrazná napětí U_{50 %} pro jímače ESE a Franklinovy tyče v uspořádání koule-hrot (průměr koule 0,75 m) pro průraznou vzdálenost 1 m, popř. 1,4 m. Tyto výsledky, které byly zjištěny se spínacími rázy vlny 200/1 400 µs, neukazují žádné podstatné rozdíly u obou jímacích tyčí. Průrazná napětí konvenčních jímacích tyčí jsou dokonce o něco nižší.

Obr. 2. Padesátiprocentní průrazné napětí U_{50 %} pro jímací tyč ESE v závislosti na době zpoždění, na přídavném rázu 1/30 µs a amplitudě 14 kV, popř. 28 kV [16]
Poznámka: AP = (auxiliary pulse – pomocný impuls)

N. L. Allen měřil průrazná napětí pro uspořádání deska-hrot s průraznou vzdáleností 1,5 m. Na horní desku bylo připojeno záporné napětí DC a rázový spínací impuls vlny 180/1570 µs: na tyč jímače umístěnou dole bylo připojeno kladné impulsní napětí vlny 1/30 µs s amplitudou 14 kV, popř. 28 kV (AP – auxiliary pulse – pomocný impuls). Tento doplňující ráz byl spouštěn 30, 60, 90, 120, 150 a 180 µs po připojení hlavního rázu 180/1570 µs. Z obr. 2 je zřejmé, že doplňující ráz snižuje průrazné napětí tehdy, je-li spuštěn krátce před dobou, kdy hlavní ráz dosáhne své vrcholové hodnoty.

Doplňkový ráz o amplitudě 28 kV dokáže při délce průrazu 1,5 m snížit průrazné napětí asi o 7 %. Jak vysoký by musel být tento impuls, aby způsobil obdobný úbytek průrazného napětí u dráhy např. 30 m?

Dr. Mohammed Nidal Rayes nezjistil u uspořádání tyč-tyč při průrazné vzdálenosti délky 1,8 m při rázovém napětí pro vlnu 250/2 500 µs žádné zlepšení ochranného prostoru pomocí tyčových jímačů ESE [17]. Naproti tomu jednoduché jímací tyče ukázaly lepší ochranný účinek než tyče ESE. Při zjišťování náskoku spouštění Dt se zkušebním uspořádáním podle NF C17-102 [14] sice byly naměřeny hodnoty 49 µs, ale při pokusu s průrazy s oběma tyčovými jímači tento náskok zmizel a nebyly zjištěny žádné časové rozdíly v dobách průrazu při jímačích ESE a jednoduchých tyčových jímačích.

Obr. 3. Dům rodiny Wieczorkowskich v obci Kamieniec Wroclawski/Polsko

B. Sc. Zainal Abidin Hartono a B. Sc. Ibrahim Robiah od roku 1990 zaznamenávají škody způsobené údery blesku na asi 100 budovách v Kuala Lumpuru (Malajsie [18]). V této oblasti, v níž je velmi vysoký počet bouřkových dnů v roce (asi 200), existuje možnost přezkoušet účinnost aktivních hromosvodů za přirozených podmínek během krátkého časového úseku. V časovém úseku tohoto sledování bylo zaznamenáno více než 200 škod. Na většině sledovaných budov byla instalována radioaktivní jímací tyč nebo tyč ESE. Tato zařízení byla vyrobena šesti různými firmami. Výšky chráněných objektů byly mezi 15 a 170 m.

V Polsku byl pozorován velmi zajímavý případ [3]: Rodinný domek v obci Kamieniec Wroclawski byl chráněn tyčovým jímačem ESE, který byl instalován ve výšce 13 m (bod A, obr. 3). Během letní bouřky v roce 2002 udeřil blesk do bodu B. Bod úderu blesku je od bodu A vzdálen 18 m, ačkoliv výrobce garantoval ochranný prostor 30 m. Po stížnosti majitele domu instalovala zřizovatelská firma na vlastní náklady přídavný jímač ESE výšky 3 m v bodě B. Tento případ dokazuje, že jímací tyč ESE nemá ani na nižších objektech lepší vlastnosti než konvenční jímací tyč. Z. A. Hartono registroval škody především na vysokých výškových budovách; dokumentoval jen jeden případ budovy výšky 15 m a čtyři případy škody na budově výšky 20 m.

Výzkumy na technické univerzitě v Darmstadtu

Měření se uskutečňovala na třech jímačích ESE pro konfiguraci deska-tyč nebo tyč-tyč s bleskovými rázy vlny 1,2/50 µs, popř. spínacími rázy o tvaru vlny 250/2 500 µs. Pro pokusy byly zvoleny délky výbojových drah 0,1 až 4 m. Průrazné napětí bylo zjištěno „sériovou metodou„. Každá série se skládala z deseti rázů s touž amplitudou (vrcholovou hodnotou). Napětí bylo odstupňováno při zkouškách bleskovými rázy zhruba po 1 %, při zkouškách spínacími rázy asi o 2 %. Nejvyšší amplituda napětí je označena jako U_{0 %}, nejnižší, při níž nastalo deset průrazů, U_{100 %}.

Zkoumané tyčové jímače ESE se lišily jak způsobem činnosti, tak konstrukcí, zvláště ohledně tvaru hrotu. Aby se vyloučil vliv geometrie, byly hroty jímačů ESE uzemněny. Takto upravené jímače byly označeny ESEg a během zkoušek fungovaly jako Franklinovy jímače.

Nejdůležitější výsledky jsou shrnuty v tab. 4 až tab. 7. Průrazná napětí pro konvenční jímače (ESEg) a jímače ESE jsou při délce průrazu 1 m ve většině případů identická. Velmi malé rozdíly při vzdálenosti 3 m je možné vysvětlit jako statistický rozptyl. Při všech jiných zkoumaných průrazných vzdálenostech a bleskových rázech nebyly nalezeny žádné podstatné rozdíly.

Doba Dt_D je přitom definována jako rozdíl mezi dobou do průrazu u Franklinovy tyče t_F a dobou do průrazu k tyči jímače ESE: Dt_D = t_F – t_ESE. Doby Dt_D pro zkoumané jímače ESE jsou často negativní (tab. 6 a tab. 7). Nejvyšší hodnota byla dokonce –122 µs. To znamená, že průraz se často vyvíjí rychleji z konvenčních tyčí než z tyčí ESE. Přes velké rozdíly v dobách průrazu 122 µs při délce výboje 0,5 m (tab. 6) byla průrazná napětí pro jímače ESE a Franklinovy tyče stejná.

Tento příklad ukazuje, že neexistuje přímá souvislost mezi dobou do průrazu a průrazným napětím. Lze se domnívat, že rovněž není přímá souvislost mezi vytvořením vstřícného výboje (strimru) a průrazným napětím. Uskutečněná měření dokazují, nejen že zkoušené tyčové jímače ESE jsou neúčinné, nýbrž také že koncepce, na níž se zakládá popis činnosti aktivních jímačů, je nepravdivá.

Vyvozené závěry

Měření v laboratoři a četné zkoušky v přirozených podmínkách dokazují, že jímače ESE nemají žádné lepší vlastnosti než konvenční jímací tyče. Hypotéza, na níž se zakládají jímače ESE, je falešná.

Literatura:
Seznam literatury [1] až [18] je možné získat z originálu článku, který byl uveřejněn v časopise ETZ, č. 2/2005, s. 56–59, z něhož byl článek převzat. Seznam literatury bude též uveden na www.eel.cz

Přeložil: Ing. Zdeněk Rous, CSc.

Dr. Krystian Leonard Chrzan (46) se narodil v Polsku ve městě Odolanow. V roce 1983 vystudoval obor elektrotechnika na wroclawské univerzitě, kde také získal v roce 1987 doktorát. Jako stipendista působil v mnoha univerzitních vysokonapěťových laboratořích v Evropě (v roce 2001 také v Praze) a na Floridě v USA. Je autorem 130 článků a knihy Vysokonapěťové bleskojistky.