e-villamos online szaklap

Elvárható pontosság a villámvédelemben

| | |  0 | |

Elvárható pontosság a villámvédelemben

A villámvédelem létesítése során különböző méretkövetelményeket kell teljesíteni, a védett tér szerkesztéséhez használt gördülőgömb-sugaraktól az egy-egy adott helyre számított biztonsági távolságig. Cikkünkben arra a rendszeresen visszatérő kérdésre keressük a választ, hogy milyen mértékben lehet eltérni a szabványban megadott értékektől.

„A Elektrotechnikai Tagozat Elnöksége a cikkben foglaltakkal és a hozzászólásokkal kapcsolatosan egy közleményt fog megjelentetni!”

Pontatlanság – a gyakorlat szükségszerű jellemzője

Tökéletes pontosságú mérnöki szerkezetek nem léteznek: a gyártás, kivitelezés során előállított konstrukciók kisebb-nagyobb mértékben eltérnek a tervezett méretektől a felhasznált anyagoktól, szerszámoktól és kivitelezési technológiáktól függően. Tudomásul kell tehát venni, hogy a terv és a valóság eltér majd egymástól. Ugyanakkor a pontatlanság bizonyos határok között nem rontja érdemben a szerkezetek funkcióját, működőképességét – a műszaki életben a jellemzők eltérésének ezt a megengedett legnagyobb értékét nevezzük tűréshatárnak.

Hétköznapi életünkben számtalan esetben találkozunk a tűréshatár fogalmával és jelentőségével, akkor is, ha ez nem feltétlenül tudatosul bennünk. Például aki autózik, az bizonyára tisztában van azzal, hogy a megengedett sebesség néhány százalékos túllépése esetén még nem kell büntetésre számítania, vagy ha a gumiabroncsban a kelleténél kicsit kisebb a nyomás, attól még használható marad az autó. Nyilván jobb, ha betartjuk a szabályokat, de – és itt ezt akarjuk hangsúlyozni – a kismértékű eltérés még elfogadható.

Mindezek tükrében különös, hogy gyakran megfeledkezünk arról, a villámvédelemben sincs ez másképp. A szabványban megadott értékek a „jó” és a „rossz” megoldások közötti pengeéles határként jelennek meg, pedig a valóságban ezek csak a „jobb” és „rosszabb” irányok között húzott, többé-kevésbé önkényes (de természetesen megegyezésen alapuló) határvonalak, melyek kismértékű átlépését hiba lenne súlyos szabályszegésként értékelni. Ehhez persze jó lenne valamilyen képpel rendelkezni arról, hogy a határok átlépése milyen következményekkel jár, és hogy – a következményekre tekintettel – mi nevezhető kismértékű eltérésnek. Mielőtt azonban utánajárnánk ennek, nézzük meg röviden, hogyan is jelentkezik ez a probléma a villámvédelemben.

Problémás esetek

A villámvédelemben – mint az élet oly sok területén – gyakran szembesülhetünk azzal, hogy a tervező, kivitelező eltér a „szabályos” megoldástól. Tegyük hozzá rögtön, hogy ezeknek az eltéréseknek (különösen a tervezés során) többnyire nem figyelmetlenség vagy hanyagság az oka, hanem műszaki vagy egyéb kényszer. Nem akarjuk részletes felsorolását adni a naponta felmerülő dilemmáknak, csupán három gyakran előforduló esetet említünk meg:

  • A védett tér határa helyenként belemetsz a tető szélébe (1. ábra). Különösen a felfogórudakkal kialakított felfogórendszereknél fordul elő gyakran, hogy a tető szélének egy része belóg az LPZ 0A zónába, akár a gördülő gömbös, akár a védőszöges szerkesztést alkalmazzuk. (Megjegyezzük, hogy a tetőfelület jellemzően ilyenkor is védett térben van, a probléma tehát csak a tető szélénél jelenik meg.)


    1. ábra: Előfordul, hogy a tető széleinek maradéktalan védelme nem biztosított. Ez a probléma természetesen megoldható lenne a felfogók besűrítésével vagy magasabb felfogórudakkal, a gyakorlatban azonban sokszor korlátozott e megoldások alkalmazásának lehetősége.

  • A levezetők száma kicsit kevesebb, mint ami a szabványból következik. Új építményeknél a megfelelő számú levezető kialakítása általában nem jelent gondot, bár ott is előfordul, hogy pl. egy-egy vasbeton pillérből kimarad a levezető. Meglévő építményeknél azonban (pl. nem norma szerinti villámvédelem norma szerintivé átalakításakor) sokszor korlátozza a levezető elhelyezésének a lehetőségét az építmény és a környezet adottsága (műemléki jelleg, tűzfallal csatlakozó szomszédos épület stb.).
  • Az LPS és a vezetőképes szerkezetek közötti távolság valamivel kisebb, mint a biztonsági távolság. Gyakorta megesik, hogy az épületek tetejére telepített, kiterjedt villamos és gépészeti rendszerek és a felfogó/levezető rendszer között nincs akkora hely, amely lehetővé tenné a biztonsági távolság szabályos betartását.     

A kérdőre vont vagy sarokba szorított tervezők, kivitelezők jobb híján „kreatív” vagy méregdrága (és mérnöki szempontból gyakran felesleges) módon igyekeznek kezelni ezeket a problémás helyzeteket. Pedig az a tény, hogy a szabvány követelménye (helyenként, kismértékben) nem teljesült, nem jelenti azt, hogy a villámvédelem működésképtelenné vált, és ezért a munka elfogadhatatlan lenne. Igaz, a szabvány nem fogalmazza meg konkrét formában, hogy milyen eltéréssel, tűréshatárral lehet még elfogadható módon teljesíteni a követelményeket, de az eltérések súlyosságának értékeléséhez számos információval ellát bennünket.

Nem bizonyos, csupán valószínű…

A szakemberek előtt közismert, hogy a villámvédelem valószínűségi alapokon nyugszik: azt, hogy hol csap le a következő villám és mekkora lesz annak nagysága, nem tudjuk pontosan meghatározni. Vannak megfigyeléseink, méréseink, tapasztalataink, amelyek alapján kisebb-nagyobb valószínűséggel tudunk erre a kérdésre válaszolni, de tisztában vagyunk azzal, hogy a válasz általában jelentős bizonytalansággal terhelt. Ez a bizonytalanság is szerepet játszik abban, hogy a gyakorlatban alkalmazott, a jogszabályok és szabványok követelményeit minden tekintetben kielégítő védelmi intézkedések sem képesek tökéletes védelmet nyújtani.

A villámvédelmi rendszer (LPS) kialakítására vonatkozó követelmények jelentős részben a villámok megfigyelése alapján készített statisztikai adatokra építkeznek (lásd keretes írás). Erről számos információt közöl az MSZ EN 62305-1, melyek révén azonban nemcsak arra van lehetőségünk, hogy meghatározzuk, milyen követelményeknek kell megfelelnie a villámcsapás felfogására valóban alkalmas LPS-nek, hanem arra is, hogy megadjuk annak hatékonyságát, és felmérjük az esetleges hibák következményeit. Ezek ismeretében könnyen belátható, hogy például az, hogy egy védeni kívánt építmény egy kicsit belóg az LPZ 0A térrészbe (mint az 1. ábrán a tető széle), az nem ugyanúgy „rossz”, mintha valaki egy M10-es csavarra M8-as anyát próbálna feltekerni. Az kétségkívül igaz, hogy a védett téren belül elhelyezkedő építményrészeknek a közvetlen villámcsapás elleni védelme jobb, mint azoké, amelyek kissé kinyúlnak abból, de ezt és az ehhez hasonló lokális problémákat nem lenne szabad túlzott szigorral kezelni. Ennek belátása azonban önmagában kevés ahhoz, hogy mérnöki szempontból is kielégítő módon kezeljük a vitára okot adó helyzeteket. Meg kell tehát próbálnunk számszerűsíthető választ adni arra a kérdésre, milyen mértékű eltérések nem rontják érdemben a védelmi intézkedések hatásosságát.     

Milyen következménye van az eltérésnek?

A kedvezőtlen irányba történő eltérés értelemszerűen a védelem hatékonyságának romlásához vezet, melynek mértékét az MSZ EN 62305-1 adataira támaszkodva becsülhetjük meg. Megvizsgálhatjuk például, hogy mekkora hibát okoz a szabályoshoz képest nagyobb gördülő gömbbel történő szerkesztés vagy a kelleténél kisebb biztonsági távolság. 
Azt, hogy egy adott gördülőgömb-sugárral szerkesztett felfogórendszer a villámok hány százalékát nem képes felfogni, a 2. ábra mutatja.

2. ábra: Annak valószínűsége, hogy a villámcsapás talppontja nem a felfogón, hanem a felfogók között az építményen lesz. A 20%-kal nagyobb gördülő gömb nem okoz 4-6%-nál nagyobb növekedést (LPS III esetében 9%-ról 14%-ra).

Bár az MSZ EN 62305-1 csak a szabványos villámvédelmi szintekhez (és így áttételesen a szabványos gördülőgömb-sugarakhoz) tartozó értékeket adja meg, köztes értékekre is megkaphatjuk a felfogó hatékonyságát, ha az adatokat egy görbére illesztjük. Ennek alapján megállapíthatjuk, hogy a gördülőgömb-sugár 20%-os növelése nagyjából 4-5%-kal rontja a hatékonyságát a felfogónak, amely így – például LPS III esetében – a villámok 81%-a helyett már csak 77%-át képes felfogni. Ez – arra is tekintettel, hogy az építményt érő villámcsapások számának növekedése a fizikai modell alapján a kisebb villámokra lesz jellemző – nem tűnik drámainak.

Azt, hogy adott biztonsági távolság esetén mekkora valószínűséggel nem következik be másodlagos kisülés, hasonlóan lehet vizsgálni, mint a felfogórendszer hatékonyságát. Ehhez az MSZ EN 62305-1 A. mellékletének A.3. táblázatából és a biztonsági távolság számítására vonatkozó, az MSZ EN 62305-3-ban közölt (4) képletből indulhatunk ki.

3. ábra: Annak valószínűsége, hogy a biztonsági távolság elégséges a másodlagos kisülés bekövetkezésének megakadályozására. A szabványosnál 20%-kal kisebb távolság nem okoz kb. 5%-nál nagyobb csökkenést (95%-ról 90%-ra).

Amint az látható, a biztonsági távolság 20%-os csökkenése az átütések bekövetkezésének valószínűségét hozzávetőlegesen 5%-kal növeli. Talán ettől sem kellene a kardunkba dőlni…

Jóllehet, az itt röviden bemutatott gondolatsorok eredményeképp a hibák nagyságát csak hozzávetőlegesen (többnyire felülbecslésként) tudjuk megadni, pontosabb számításoknak nem sok értelme van. A villámstatisztikák eredendő pontatlansága és a szabványban alkalmazott egyszerűsítések miatt a gyakorlati villámvédelemben „pontos” értékekről eleve nem lehet beszélni, ezért nincs jelentősége a hibák pontos értékének sem. Ahhoz pedig elfogadható pontosságú becslést kaptunk, a bevezetőben feltett, bennünket valójában érdeklő kérdésre megpróbálunk választ adni.  

Mekkora eltérés fogadható el a gyakorlatban?

Az előbb két egyszerű példán láttuk, hogy 20%-os mértékű kedvezőtlen irányú eltérés nem okozta a hatékonyság olyan romlását, amelyre aggodalommal kellene tekintenünk. Bizonyára átfogóbb és részletesebb elemzéseket is lehetne végezni a témában, amelyek masszívabb alapot adnának általános érvényű kijelentések megtételéhez. Úgy véljük azonban, hogy ezek szükségtelenek, és a 20%-os tűréshatár a villámvédelem létesítése során általánosságban is elfogadható. Az ilyen és ehhez hasonló hibák a villámvédelem hatékonyságát érdemben nem rontják – feltéve természetesen, hogy a védelmi intézkedések nagyobbrészt teljesítik a szabvány követelményeit. 

A félreértések elkerülése végett nyomatékosan hangsúlyoznunk kell, hogy ez nem azt jelenti, hogy a szabványt ne kellene betartanunk! Az itt megadott tűréshatár csak a kényszerhelyzetben alkalmazott (kedvezőtlen irányú) eltérések értékeléséhez kíván segítséget nyújtani. Következésképp az helytelen, ha valaki azért tervez egy épületre a szabványos 20 helyett 16 levezetőt, mert ez olcsóbbá teszi a kivitelezést. Az azonban elfogadható, ha a tervezett 20 vasbeton pillérből (hanyagság miatt vagy egyéb okból) csak 16-ba került bele a levezető, vagy egy (meglévő, átalakításra kerülő) épületnél az építészeti adottságok miatt 5 helyett csak 4 levezető lett tervezve.

A villámparamétereknek, a gördülőgömb-sugaraknak és a felfogórendszer hatékonyságának az összefüggése

A jelenleg elfogadott, ún. elektro-geometriai modell szerint a villámok főkisülése térben egymáshoz kapcsolódó, időben gyorsan egymást követő előkisülések, „ugrások” láncolatából jön létre. A modell értelmében az ugrások hossza és a villámcsatornában folyó áram között összefüggés van: az ugrásoknak a méterben mért hosszúsága nagyjából a villámcsatornában folyó, kA-ben mért áram négyzetgyökének a 10-szerese. A modell és az összefüggés jelentőségét az adja, hogy segítségével megállapítható, a villámvédelmi felfogórendszert milyen geometriával kell kialakítani ahhoz, hogy a villámcsapások talppontja nagy valószínűséggel a felfogón legyen. Mivel a modell értelmében az erősebb (nagyobb villámáramú) villámcsapások nagyobb ugrásokra képesek, mint a gyengébbek, a felfogórendszer sűrítésére nem a nagy, hanem a kisebb villámok „befogása” miatt van szükség.

4. ábra: Orientációs távolság. Az elektro-geometriai modell értelmében a nagyobb villámcsapás (balra) nagyobb távolságot képes „átugrani”, ezért a felfogó ritkább elrendezésével is hatásosan lehet védekezni. Kisebb villámok felfogásához (jobbra) sűrűbb felfogóra van szükség. Ez a modell képezi a legáltalánosabban alkalmazható, gördülő gömbös szerkesztés alapját.

A megfigyelések révén a villámok nagyságáról jó statisztikai adatokkal rendelkezünk, így nincs akadálya annak, hogy rögzítsük, mennyire hatékony villámvédelmi felfogót akarunk készíteni, és hogy ahhoz milyen villámáramértékek tartoznak. Az MSZ EN 62305-1 ezeket a villámáramértékeket az LPL villámvédelmi szinthez tartozóan adja meg, LPL I-től LPL IV-ig 3, 5, 10 és 16 kA-ben. Ezekhez az értékekhez az előbb említett egyszerű képlet segítségével 17, 22, 31 és 40 m-es „ugrások” tartoznak – a szabvány pontosabb képletét (ld. MSZ EN 62305-1 A. melléklete) használva a villámvédelmi fokozatokhoz tartozó jól ismert 20, 30, 45 és 60 értékeket, azaz a gördülőgömb-sugarakat kapjuk. Tekintve, hogy a statisztikák azt is megmutatják, hogy a villámcsatornában folyó villámáram mekkora valószínűséggel kisebb, mint az LPL villámvédelmi szintekhez tartozó határértékek, következtethetünk arra, hogy a villámok nagyjából hány százalékának talppontja lesz majd a védett építményen, ahelyett hogy a villámvédelmi felfogón lenne. Ez LPS I-től LPS IV-ig sorra 1, 3, 9 és 16%-nak adódik, amint azt a 2. ábra is mutatja.     

A cikk a Villanyszerelők Lapja áprilisi lapszámában jelent meg.

Hozzászólás

A hozzászóláshoz be kell jelentkeznie.

Facebook-hozzászólásmodul