Domov Karakteristi?ne veli?ine toka strele
Karakteristi?ne veli?ine toka strele

Pred strelo se moramo dobro za?ititi. Zato moramo poznati njene fizikalne lastnosti in na?ine, na katere se te lastnosti kaejo v naravi ter v naih bivalnih in industrijskih okoljih. Tako so zelo pomembna dolgoletna opazovanja in meritve, ki omogo?ajo najprimerneje dimenzioniranje obrambnih mehanizmov pred u?inki strele.

Najpomembneji podatki o razelektritvenem procesu so: temenska ali amplitudna vrednost razelektritvenega toka v (kA), naboj toka strele Q v (As), strmina toka strele v (kA/s), kvadratni impulz toka strele ?i2 dt v (A2s), ?as trajanja toka strele v (s), valovna upornost kanala strele v (?) in tevilo udarov na nekem obmo?ju.

Temenska vrednost razelektritvenega toka

Z vidika za?ite pred strelo je seveda najpomembneja vrednost velikost razelektritvenega toka, saj ta te?e prek naprav za?ite objekta in s svojimi vzporednimi potmi tudi po kovinskih delih samega objekta. Kot smo omenili, je lahko tok strele posledica pozitivnega ali negativnega naboja. Negativni udari strele tvorijo razelektritvene valove, ki se po obliki zelo razlikujejo med seboj. ?as trajanja njihovega ?ela prvega udarnega vala znaa od 10 do 15s. e pri drugi zaporedni razelektritvi je njihovo ?elo kraje in hrbet vala nekoliko dalji. Tudi temenska vrednost drugega vala je ponavadi manja.

Pozitivni razelektritveni valovi se navadno pojavljajo z enim razelektritvenim valom, ki traja od 0,1 do 0,2s. Njihov ?as trajanja ?ela je relativno dolg in znaa od 20 do 50s. Temenske vrednosti pozitivnih razelektritvenih valov lahko doseejo tudi ve? kakor 1.000kA.

Za?itni nivo (LPL)

Najve?ja vrednost

(kriterij za dimenzioniranje)

Najve?ji tok strele (amplituda)

Verjetnost, da bo tok strele manji od najve?jega

I

200 kA

99 %

II

150 kA

98 %

III

100 kA

97 %

IV

100 kA

97 %

Preglednica 2.6.1.1: Najve?je temenske vrednosti razelektritvenih tokov z verjetnostjo pojavnosti

Verjetnost, da bodo dolo?ene temenske vrednosti preseene, je prikazana na naslednji preglednici 2.6.2.

Temenske vrednosti razelektritvenih tokov se ob razli?nih udarih seveda pojavljajo v razli?ni velikosti in lahko njihovo pri?akovanje obravnavamo le na podlagi dolo?ene verjetnosti, ki izvira iz predhodnih opazovanj. Tako so te vrednosti prikazane v naslednji preglednici 2.6.1 za tiri za?itne nivoje, ki so jim nato prilagojene tiri vrste konstrukcijskih izvedb reitev za?ite pred strelo.

Za?itni nivo (LPL)

Najmanja vrednost

(kriterij za prestrezanje)

Najmanji tok strele (amplituda)

Verjetnost, da bo tok strele ve?ji od najmanjega

Polmer kotale?e se krogle

I

3 kA

99 %

20 m

II

5 kA

97 %

30 m

III

10 kA

91 %

45 m

IV

16 kA

84 %

60 m

Preglednica 2.6.1.2: Najmanje temenske vrednosti razelektritvenih tokov z verjetnostjo pojavnosti

Elektri?ni razelektritveni tok na svoji poti naleti na prevodne dele, ki niso idealni prevodniki. Na njih se zaradi ohmske upornosti pojavi napetostni padec z zna?ilno obliko potencialnega lijaka, ki ga kae slika 2.6.1.1.

Potencial se izra?una iz enostavne oblike:

U = I R

Opis: 221.png

Slika 2.6.1.1: Porazdelitev potencialov ob atmosferski razelektritvi pri odvajanju toka v homogeno zemlji?e

Naslednja slika 2.6.1.2 prikazuje udarni razelektritveni tok, ki se razelektri prek strelovodnega lovilnika in ustvarja potencialno razliko glede na oddaljeno referen?no zemljo.

Opis: 223.png

Slika 2.6.1.3: Prikaz potenciala do referen?ne zemlje pri odvajanju udarnega razelektritvenega toka

Upornost ozemljilnega sistema je skladno z evropskimi standardi priporo?ena v vrednosti 10?. Pri razelektritvenem toku strele 100kA bi pri tej ozemljilni upornosti nastal napetostni padec 1.000kV. Pri tako visoki napetosti bi vsekakor, ?e ne bi uporabili ustreznih za?itnih ukrepov, prilo do elektri?nega preboja na druge intalacije. Primer takega pojava je prikazan na sliki 2.6.1.4.

Opis: 224.png

Slika 2.6.1.4: Preboj izolacije v elektri?no intalacijo zaradi porasta napetosti ob odvajanju razelektritvenega toka

Naboj razelektritvenega toka

Povpre?na skupna koli?ina naboja, ki se sprosti ob atmosferskih razelektritvah, znaa okoli 10C. Pri mo?nih razelektritvah pa se sprosti tudi 300C nabranega razelektritvenega naboja. Elektri?ni naboj ra?unamo:

Q =?i dt

Koli?ina naboja, ki se sprosti ob razelektritvi, odlo?a o nastali energiji, ki se v to?ki udara spremeni v toploto. Ta nastala toplotna energija zadostuje, da se stali del kovine v to?ki udara in lahko posledi?no zage vnetljivi material, ki se te to?ke dotika. Obratovalna praksa pozna tevilne takne primere. Konkreten primer na plo?evini iz galvaniziranega jekla in bakra je prikazan na sliki 2.6.2.1.

Opis: 242.png

Slika 2.6.2.1: U?inek preskusnega toka z udarnim valom 100kA (10/350s)

Na sliki 2.6.2.2 je za plo?evine iz standardnih materialov plo?evinastih streh z debelino 0,5mm prikazan u?inek taljenja posameznih kovin pri elektri?nem toku 200A v ?asu 100ms.

Opis: 243.png

Slika 2.6.2.3: Preluknjana plo?evina zaradi u?inkov taljenja kovine

Zaradi taljenja tankih plo?evin je treba pri dimenzioniranju plo?evinastih streh, ki jih elimo uporabiti za del strelovodne lovilne mree, vendar imajo pod seboj vnetljive materiale, ustrezno pove?ati debelino plo?evine. ?e tega ni mogo?e upotevati, je treba tanko plo?evinasto streho opremiti z dodatno lovilno mreo.

Glede na veljavni standard SIST EN 62305-1 je pri projektiranju treba upotevati za razli?ne za?itne nivoje naslednje vrednosti celotnih razelektritvenih nabojev:

Za?itni nivo I: 300C

Za?itni nivo II: 225C

Za?itni nivo III in IV: 150C

Strmina razelektritvenega toka strele

Tok strele v atmosferskem razelektritvenem procesu ima obliko tokovnega impulza. Tok zelo hitro dosee svojo najve?jo vrednost, ki pa se nato po?asi zmanjuje. To je posledica potrebnega prodora toka skozi prostor, ki v svojem za?etku potrebuje velik napetostni in nabojni zagon, da premaga zra?ni kanal, po katerem se lahko izena?i z nasprotno naelektrenim polom na zemlji. Okoli?ine nastanka, v bistvu elektrostati?nih neravnoteij med kapacitivno porazdeljenimi naboji in ustvarjanjem njihovega naravnega ravnoteja, so odvisne od prirodnih naklju?nih vremenskih razmer in njihove geometrije. Zato se tudi ob razli?nih razelektritvah toki strele na njihovem ?elu impulza ne spreminjajo vedno enako. Nekateri toki nara?ajo hitreje, nekateri pa po?asneje. Za tiste toke strele, ki se v za?etku spreminjajo zelo hitro, pravimo, da imajo veliko strmino.

Strmino toka strele ozna?ujemo s s in jo obravnavamo kot prirast toka v dolo?enem ?asu s = ?i/?t oziroma e natan?neje s = di/dt. Njena merska enota je A/S ali kA/s.

Zaradi hitrega spreminjanja strmine porasta tokovnega impulza v okolici poti, po kateri te?e tak razelektritveni tok, nastajajo mo?na elektromagnetna polja. Hitrim spremembam toka sledijo nato visoke inducirane napetosti, ki so mnogo vije od nazivnih obratovalnih napetosti, s katerimi delujejo naprave v objektu, v katerega je udarila strela. Na sliki 2.6.3.1 so prikazane tri intalacijske zanke, med katerimi se na dolo?enih mestih vodniki zanke ali priklju?ne sponke naprav pribliajo na presko?ne razdalje (s1, s2 in s3) in zaradi tega nastane elektri?ni preboj.

Na sliki je prikazana inducirana napetost pravokotne oblike, kar bi ustrezalo spremembi toka strele ?i/?t. Za dejansko spremembo di/dt bi se inducirana napetost pojavila v obliki impulza z veliko ve?jo amplitudno vrednostjo.

Opis: 231.png

Slika 2.6.3.1: Inducirane napetosti v razli?nih vrstah zank na objektu pri spremembi elektri?nega toka

V konkretnih primerih v praksi je zelo pomembno, kolikna povrina zanke je odprta in na razpolago prodiranju spremenljivega magnetnega polja. Od tega je odvisna dejanska inducirana napetost v sami zanki, ki je odvisna od medsebojne induktivnosti med zanko in vodnikom, ki prevaja razelektritveni tok strele. Medsebojna induktivnost je za nekatere zanke v obliki kvadrata prikazana na sliki 2.6.3.2 v odvisnosti od razdalje od strelovodnega odvoda. Na isti sliki je izra?unana tudi inducirana napetost za kvadratno zanko s stranico kvadrata a = 10m in razdaljo 3m od strelovodnega odvoda. Za izra?un je vzeta ena?ba za inducirano napetost:

U = M ?i/?t

Za ra?unanje v realnih razmerah bi seveda morali upotevati natan?nejo obliko za spremembo porasta toka strele, in sicer:

U = M di/dt

Tako bi amplitudna vrednost imela e ve?jo vrednost, kar pomeni, da je tudi v realnosti njen udar e nevarneji za uni?enje naprav v okolici vodnikov, ki prevajajo tok strele. No, sre?a je, da se tok strele ponavadi razdeli po ve? vzporednih vodnikih, kar nekoliko olaja razmere.

Opis: 232.png

Slika 2.6.3.2: Inducirana napetost pravokotnega vala v zanki pri spremembi toka strele ?i/?t

Kot je razvidno s slike, je upotevana strmina toka strele ?i/?t v viini 150kA/s, kar je sorazmerno velika vrednost. Tako je tudi izra?unana inducirana napetost 720kV zelo visoka. Ob upotevanju diferencialne spremembe toka v ?asu pa bi bila temenska vrednost udara e ve?ja.