Ochrona przed zagrożeniem piorunowym w strefach zagrożonych pożarem.pdf

(841 KB) Pobierz
OCHRONA ODGROMOWA
Ochrona przed zagrożeniem piorunowym
w strefach zagrożonych pożarem
Andrzej Sowa
Podstawowym zadaniem instalacji piorunochronnej jest ochrona obiektu przed zagrożeniami wy-
stępującymi podczas bezpośredniego wyładowania piorunowego. W takim przypadku przepływ
prądu piorunowego jest szczególnie niebezpieczny w obiekcie zawierającym materiały lub urządze-
nia palne. Przepływ prądu piorunowego może spowodować:
•
erozję termiczną metalu w miejscu jego bezpośredniego kontaktu z kanałem piorunowym (miejsce
wpływania prądu piorunowego ),
•
nagrzewanie się przewodów pod wpływem przepływającego przez nie prądu piorunowego,
•
zapłon materiałów palnych w bezpośrednim sąsiedztwie kanału piorunowego lub przeskoku iskrowego,
•
przeskoki iskrowe w miejscach występowania materiałów lub urządzeń palnych.
Ryzyko pożaru zależy od prawdopodobieństwa wystąpienia powyższych zagrożeń w miejscach wystą-
pienia materiałów lub urządzeń palnych.
Zagrożenie stwarzane przez prąd piorunowy
Ocena zagrożeń stwarzanych przez przepływ prądu piorunowego wymaga określenia kształtów prą-
dów piorunowych pierwszego oraz kolejnych wyładowań doziemnych. Zalecane przez normy
ochrony odgromowej [4, 6] wartości podstawowych parametrów charakteryzujących kształty prą-
dów piorunowych zestawiono w tabeli 1.
Tabela 1.
Wartości podstawowych parametrów charakteryzujących prąd piorunowy wyładowania
doziemnego [6]
Wartości podstawowych parametrów charakteryzujących prąd piorunowy
Składowa
Poziom
wyładowania
ochrony
I
Pierwsza
składowa
Kolejne
składowe
II
II i IV
I
II
III i IV
Długotrwała
składowa
prądu
I
II
III i IV
Wartość
szczytowa
200kA
150kA
100kA
50kA
37,5kA
25kA
400A
300A
200A
Stromość
narastania
kA/µs
20
15
10
200
150
100
--
--
--
Czas
trwania
0,5 s
0,25/100
10/350
Kształt
Całkowity
ładunek
C **
300
225
150
--
--
--
200
150
100
Ładunek
impulsowy
C*
100
75
50
---
---
---
--
--
--
Energia
właściwa
kJ/Ω
10 000
5 600
2 500
---
---
---
--
--
--
* - Ponieważ zasadnicza część całkowitego
ładunku
jest zawarta w pierwszym udarze to uznaje się,
że
podane wartości zawierają
ładunek
wszystkich udarów krótkotrwałych,
** -
Ładunek
całkowity - suma
ładunku
krótkotrwałego i
ładunku
składowej długotrwałej prądu.
A. Sowa
Ochrona przed zagrożeniem piorunowym w strefach zagrożonych pożarem
Przebiegi czasowe prądów pierwszego i kolejnych wyładowań doziemnych przedstawiona na rys. 1 i 2.
a)
b)
Rys. 1.
Przebieg czasowy prądu pierwszego wyładowania piorunowego w kanale: a) cały przebieg,
b) przebieg czoła ( prąd wymagany dla I poziomu ochrony odgromowej[6])
a)
b)
Rys. 2.
Przebieg czasowy prądu kolejnego wyładowania piorunowego w kanale: a) - cały przebieg,
b) - przebieg czoła ( prąd wymagany dla I poziomu ochrony odgromowej [6])
W wielokrotnym doziemnym wyładowaniu piorunowym występuje również składowa długotrwała,
którą można scharakteryzować czasem trwania
T
L
na poziomie 10% wartości maksymalnej oraz
ła-
dunkiem całkowitym
Q
L
(rys. 3.).
Rys. 3.
Przebieg czasowy długotrwałej składowej prądu piorunowego [6]
2
A. Sowa
Ochrona przed zagrożeniem piorunowym w strefach zagrożonych pożarem
W przypadku klasycznej instalacji piorunochronnej przepływ prądów o przedstawionych kształtach
może spowodować zarówno rozgrzanie przewodu, jak i wytopione z niego krople metalu.
Określając kryteria opadania kropel wytopionego metalu z przewodu przyjęto [9, 10],
że
wystąpie-
nie tego zjawiska wymaga ubytku połowy masy przewodu na długości równej jego
średnicy.
Krytyczną wartość
ładunku
wymaganą do wytopienia takiej ilości metalu określa równanie:
Q
w
=
π
⋅
r
3
K
e
gdzie: K
e
–
współczynnik erozji,
r -
promień przewodu.
Uwzględniając, wartości
ładunków
przenoszonych przez prąd piorunowy można określić
średnice
przewodów, w których na skutek erozji termicznej może wystąpić zagrożenie stwarzane przez opa-
dające krople metalu. Przykładowe wyniki obliczeń dla przewodów stalowych, aluminiowych i
miedzianych zestawiono w tabeli 2.
Tabela 2.
Krytyczne wartości
ładunku
dla przewodów wykonanych z różnych materiałów
Średnica
przewodu
Stal
5 mm
6 mm
7 mm
8 mm
9 mm
10 mm
11 mm
32,72
56,64
89,79
134,04
190,85
261,79
348,45
Ładunek
Q (As)
Miedz
18,11
31,29
49,70
74,19
105,63
144,90
192,87
Aluminium
9,82
16,96
26,93
40,21
57,25
78,53
104,53
Obliczone wartości należy porównać z wartościami
ładunku
impulsowego, jaki jest zalecany przy
tworzeniu urządzenia piorunochronnego zapewniającego wybrany poziom ochrony odgromowej. W
przypadku wybrania I poziomu ochrony uniknięcie spadania kropel wytopionego metalu wymaga
zastosowania przewodów, dla których krytyczne wartości
ładunku
są większe od 100As (obszar za-
cieniony na tabeli 2.).
Wzrost temperatury przewodu o
∆
ϑ
pod wpływem przepływającego prądu piorunowego można
wyznaczyć z zależności [7, 10]:
W
⋅
α
⋅
ρ
1
R
∆
ϑ
=
(exp
2
−
1)
α
S
⋅
γ
⋅
c
w
gdzie :
c
w
–
ciepło właściwe (J⋅ kg
-1
⋅
K
-1
),
S
2
–
przekrój przewodu (m
2
).
ρ
-
rezystywność metalu (Ω⋅m),
γ
-
gęstość metalu (kg⋅m
-3
),
α
-
współczynnik temperaturowy (K
-1
),
Przybliżone wartości współczynników występujących w powyższym równaniu dla różnych mate-
riałów zestawiono w tabeli 3.
3
A. Sowa
Ochrona przed zagrożeniem piorunowym w strefach zagrożonych pożarem
Tabela 3.
Wartości współczynników występujących w równaniu określającym
∆
ϑ
Współczynnik
Materiał
Aluminium
2 700
908
29 10
-9
4,0 10
-3
658
397
⋅10
3
Stal miękka
7 700
469
120 10
-9
6,5 10
-3
1 530
272 10
3
Miedz
8 920
385
17,8 10
-9
3,92 10
-3
1080
209
⋅10
3
Stal nierdzewna
8 10
3
500
0,7 10
-9
0,8 10
-3
1 500
--
γ
(
c
w
(
kg
)
m
3
J
)
kg
⋅
K
ρ
(
Ω
m
)
α
(1 /
K
)
v
s
(
0
C
)
C
s
(
J
)
kg
Wykorzystując przedstawione wartości można określić przyrost temperatury różnorodnych przewo-
dów o różnych
średnicach
przy przepływie prądu piorunowego o kształcie 10/350µs i wartościach
szczytowych uzależnionych od przyjętego poziomu ochrony odgromowej. Do oceny przyrostu tem-
peratury przewodu, jaki nastąpi przy przepływie prądu piorunowego o wartościach uzależnionych
od wybranego poziomu ochrony, można wykorzystać dane zestawione w tabeli 4.
Tabela 4.
Przyrost temperatury przewodów przy przepływie prądu piorunowego w zależności od
ich
średnicy
materiału, z którego są wykonane oraz przyjętego poziomu ochrony odgro-
mowej [7]
przekrój
w
mm
2
4
10
16
25
50
100
Aluminium
III+IV
*
564
146
52
12
3
II
*
*
454
132
28
7
I
*
*
*
283
52
12
Stal miękka
III+IV
*
*
1120
211
37
9
II
*
*
*
913
96
20
I
*
*
*
*
211
37
III+IV
*
169
56
22
5
1
Miedz
II
*
542
143
51
12
3
I
*
*
309
98
22
5
Stal nierdzewna
III+IV
*
*
*
940
190
45
II
*
*
*
*
460
100
I
*
*
*
*
940
190
Przyjęty poziom ochrony
* - wzrost temperatury powoduje eksplozję lub stopienie przewodu.
Erozja termiczna blachy
Głównym czynnikiem prowadzącym do wzrostu temperatury w miejscu stykowym jest energia
związana z
ładunkiem
wyładowania i z przyelektrodowym spadkiem napięcia:
W
=
Q
⋅
U
e
gdzie:
Q
–
ładunek
wyładowania [As],
[J]
U
e
– przyelektrodowy spadek napięcia [V].
Osiągnięcie temperatury stanowiącej próg topliwości metalu
świadczy
o zapoczątkowanej jego ero-
zji. Temperatura topnienia jest różna dla różnych metali, zatem przepływ prądu wywołuje różne skutki
4
A. Sowa
Ochrona przed zagrożeniem piorunowym w strefach zagrożonych pożarem
w różnych metalach. Do obliczeń objętości metalu wytopionego przez przepływający prąd piorunowy
można wykorzystać zależność []:
1
V
= ⋅
γ
c
w
⋅
(
ϑ
s
−
ϑ
u
)
+
c
s
gdzie:
W –
energia [J],
c
w
–
ciepło właściwe [J/kg⋅K],
ϑ
s
–
temperatura topnienia [°C],
W
[m
3
]
γ
–
gęstość metalu [kg/m
3
].
c
s
–
ciepło topnienia [J/kg],
ϑ
u
–
temperatura otoczenia [°C].
Wartości poszczególnych współczynników dla wyżej wymienionych metali znajdują się w tab. 3.
Przykładowe wyniki obliczeń objętości wytopionego metalu
V
wykonanych dla
Q
= 100 As oraz
dla dwóch wartości przyelektrodowego spadku napięcia (dla
U
e
=13
V i dla
U
e
= 30 V) zestawiono
w tabeli 5.
Tabela 5.
Wyniki obliczeń objętości wytopionego metalu przez
ładunek
Q = 100 As
Metal
U
e
[V]
W
[J]
V
[cm
3
]
Aluminium
13
30
13
30
13
30
1300
3000
1300
3000
1300
3000
0,49
1,14
0,17
0,40
0,24
0,56
Stal
Miedź
W prowadzonych obliczeniach przyjęto temperaturę otoczenia
ϑ
u
równą 20
°C.
Po wyznaczeniu objętości wytopionego metalu można wyznaczyć przybliżone wymiary otworów
„wypalonych” w blachach o różnej grubości. Dla uproszczenia można przyjąć,
że
wypalony otwór
ma kształt walca (rys. 4.) i wykorzystać prosty wzór:
V
=
π
⋅
r
2
⋅
d
d
- grubość blachy,
2r
-
średnica
„wytopionego” otworu.
d
2r
Rys. 4.
Wycinek blachy z wypalonym otworem
Przykładowe wartości
średnice
otworów wytopionych w blachach o różnych grubościach i z róż-
nych materiałów przedstawiono na rys. 5.
5

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin