Gromobranska hvataljka sa uređajem za rano startovanje tipa PREVECTRON

Institut NIRI koristi isključivo gromobranske hvataljke tipa PREVECTRON francuske firme INDELEC. Svojim karakteristikama u prikupljanju energije za rano startovanje, pravovremenom startovanju i usmeravanju silaznog trasera atmosferskog pražnjenja prema gromobranskoj instalaciji, PREVECTRON hvataljka odskače iznad sličnih proizvoda drugih proizvodjača.

Princip rada hvataljke PREVECTRON

Vrste hvataljki PREVECTRON

Proračun zaštitne zone

Instalacija hvataljki PREVECTRON

Održavanje gromobranske instalacije

Ispitivanja u laboratorijskim i prirodnim uslovima

Princip rada hvataljke PREVECTRON

Napajajući se energijom prisutnog električnog polja, koje je u vreme nailaska nevremena nekoliko a pred samo pražnjenje i više stotina kV/m, hvataljki je omogućeno autonomno delovanje, odnosno izbacivanje varnice, koja će izazvati proboj dielektrika znatno nižim naponom i tako izvršiti spajanje silaznog i uzlaznog trasera potonjem atmosferskom paržnjenju. Njegovo delovanje bi se moglo uporediti sa vrhom igle koja se zabada u naduvani dečiji balon, koga zatim veliki unutrašnji pritisak vazduha cepa, odnoseći unutrašnji pritisak sa oklopa balona. Isto tako, u narastajući pritisak električnog polja pred samo atmosfersko pražnjenje hvataljka ubacuje svoju varnicu u dielektrik (vazduh), koji više nije sposoban da odoleva pritisku narastajućeg električnog polja. Uzlaznom traseru je omogućeno da krene sa uzemljenog mesta koje smo mu mi odredili.

Hvataljka PREVECTRON poseduje elektrode, nazvane "sakupljači energije" raspoređene u blizini šiljka Franklinovog gromobrana, koje su povezane sa njim, dakle uzemljene, preko kondenzatora. Ispitivanja su pokazala da se ovi kondenzatori mogu napuniti do jednog nivoa napona posredstvom ovih sakupljača energije ili preko fluksa jona ili preko efekta kapacitivnog delioca. Punjenje fluksom jona će biti očevidno i tim više primetno, što je koncentracija jona u vazduhu značajnija, a što se dešava u prisustvu jakog neveremena a pogotovu u trenutku približavanja silaznog trasera. U momentu nailaska trasera iz oblaka, nastaje nagli porast lokalnog električnog polja, koji omogućava jedno dodatno punjenje kondenzatora. Ovaj nagli porast polja stvara vrlo brzu varijaciju napona (dU/dt), koja je detektovana odgovarjućim filtrom a zatim transformisana u komandu jednoj elektronskoj skupini, koja će akumuliranu energiju transformisati u varnice, lavinu elektrona i izbijanje uzlaznog trasera sa vrha Franklinovog gromobrana.

Vrste hvataljki PREVECTRON-a

Porodicu hvataljki PREVECTRON čini pet tipova ovih hvataljki, vremena prednjačenja od 60 do 10μs. Centralni deo hvataljke je masivna elektroda od bakra visoke provodnosti, zašiljena na vrhu; ostale elektrode su od nerđajućeg čelika; oklop sadržine hvataljke je od materijala koji podnosi sve klimatske ekstremne vrednosti vlaznosti i temperature.

Prevectron^®2 S6.60	Prevectron^®2 S4.50	Prevectron^®2 S3.40
Prevectron^®2 TS3.40	Prevectron^®2 TS2.25	Prevectron^®2 TS2.10

Proračun zaštitne zone

Poluprečnik zaštite (r'_max) zavisi od većeg broja činilaca, u prvom redu od nivoa zaštite (I, II, III ili IV), tipa i modela hvataljke, što će reći vremena prednjačenja (Δt), visine jarbola (h) koji nosi hvataljku...
Polupreċnik kruga (r'_max) koji bi fiktivna sfera opisala rotirajući oko štapa visine h, dobiće se po Pitagorinoj teoremi:

- R (m) poluprečnik fiktivne sfere čela silazećeg trasera,
- ∆R = v*∆t (m) dobitak u udarnom rastojanju,
- v = 1(m/μѕ) brzina uzlaznog trasera,
- ∆t (μѕ) vreme prednjačenja hvataljke,
- h (m) vertikalno rastojanje štićene tačke do vrha štapne hvataljke.

Za visinu jarbola h ≥ 5 u priloženim tabelama izračunate su vrednosti maksimalnih rastojanja štićene tačke od hvataljke (r'_max) za sve vrste hvataljki tip PREVECTRON.

PRVI NIVO ZAŠTITE (R=20m)


Tip	Δt (μs)	h=2m	h=5m	h=10m	h=20m
S.6.60	60	31	79	79	80
S4.50	50	27	68	69	70
S3.40	40	23	58	59	60
TS3.40	40	23	58	59	60
TS2.25	25	17	42	44	45
TS2.10	10	10	26	28	30

DRUGI NIVO ZAŠTITE (R=30m)


Tip	Δt (μs)	h=2m	h=5m	h=10m	h=20m	h=30m
S.6.60	60	35	85	87	89	90
S4.50	50	30	75	77	79	80
S3.40	40	25	65	67	69	70
TS3.40	40	25	65	67	69	70
TS2.25	25	20	48	51	53	55
TS2.10	10	12	31	34	38	#

TREĆI NIVO ZAŠTITE (R=45m)


Tip	Δt (μs)	h=2m	h=5m	h=10m	h=20m	h=30m	h=45m
S.6.60	60	39	97	99	102	103	105
S4.50	50	34	86	88	92	93	95
S3.40	40	30	75	77	81	83	85
TS3.40	40	30	75	77	81	83	85
TS2.25	25	23	57	61	65	67	70
TS2.10	10	15	38	42	49	#	#

ČETVRTI NIVO ZAŠTITE (R=60m)


Tip	Δt (μs)	h=2m	h=5m	h=10m	h=20m	h=30m	h=45m	h=60m
S.6.60	60	43	107	109	113	116	119	120
S4.50	50	38	95	98	102	105	109	110
S3.40	40	33	84	87	92	95	99	100
TS3.40	40	33	84	87	92	95	99	100
TS2.25	25	26	65	69	75	80	84	85
TS2.10	10	17	43	49	57	#	#	#

Koristeći gornju jednačinu, na sledećim slikama ucrtani su dijagrami familija grafika za primere vremena prednjačenja hvataljke sa uređajem za rano startovanje od ∆t = 25, 40, 50 i 60 μs za sva četiri nivoa zaštite. Za visinu nosećeg jarbola hvataljke od h=0 m, trebalo bi očekivati (r'_max) = 0 m, što iz gornje jednačine za određivanje maksimalnog rastojanja štićene tačke od hvataljke, neće biti slučaj. Trebalo bi, dakle, odrediti vrednost za h od koje će se račun "odlepiti" od krive dobijene citiranom jednačinom i krivu skrenuti prema nuli. Francuske norme NF C 17 102 su se od krive "odlepile" kod h = 5 m i usmerile prema nuli.

Instalacija hvataljki PREVECTRON

Hvataljka sa uređajem za rano startovanje biće postavljena na vrhu metalnog jarbola visine 5 metara, tako da je hvataljka bar 2 metra iznad najviše štićene tačke. Visina jarbola je minimum 5 metara da bi hvataljka bila "zarivena" u jako električno polje pred udar groma, kako bi prikupila dovoljno energije za svoje delovanje.

Metalni jarbol sa hvataljkom može biti postavljen na objektu ili izolovano od objekta, direktno na svom autonomnom betonskom postolju. U tom slučaju, govorimo o ''neizolovanoj'' ili o ''izolovanoj'' gromobranskoj instalaciji. Jarbol koji je učvršćen za svoje betonsko postolje će verovatno biti znatno duži od 5 metara, da bi najvišu tačku štićenog objekta nadvisio za bar 2 metra. Proračunom mora biti dokazana mehanička otpornost jarbola od prevrtanja za najjače udare vetra.

Kod neizolovane gromobranske instalacije, sa jarbola će krenuti dva spusna voda prema svojim ispitnim spojevima a zatim uzemljivačima, dok će kod izolovane gromobranske instalacije biti dovoljan samo jedan spusni vod, sa jednim mernim spojem (ili bez njega) i jednim uzemljivačem.

Kao uzemljivač može biti korišćen uzemljivač u temelju objekta na kome je postavljen jarbol sa hvataljkom ili uzemljivači u obliku ''pačije šape'' prikazanog na slici. Otpornost uzemljivača bi trebalo da bude manja od 10Ω. Za terene sa lošim specifičnim otporom trebalo bi konsultovati tačku 2.3.2 standarda SRPS IEC 1024-1.

Spusni vodovi mogu biti od bakra, aluminijuma ili pocinkovanog gvožđa. Ako je korišćen bakar, minimalni persek bakarnog profila mora biti 16mm², ako je izveden od aluminijuma 25mm², donosno od pocinkovanog gvožđa 50mm².

Zemni uvodnici i uzemljivači mogu biti izrađeni samo od bakra ili pocinkovanog gvožđa, preseka minimum 50mm² ako su od bakra, odnosno minimum 80mm² ako su od pocinkovanog gvožđa.

Gromobransku instalaciju bi trebalo izvesti od jedinstvenog materijala, dakle koristeći samo bakar ili samo pocinkovano gvožđe, kako bi se izbegla brza degradacija materijala zbog pojave elektrohemijske odnodno galvanske korozije. Naravno da je bakar daleko najdugovečniji i najpouzdaniji materijal za izvođenje jedne gromobranske instalacije.

Održavanje gromobranske instalacije

Standardom SRPS N.B4.802, predviđena su prva i periodična ispitivanja gromobranskih instalacija, "naročito kontinuiteta za one delove gromobranske instalacije koji nisu vidljivi za kontrolu i to na početku montaže i koji kasnije neće biti vidljivi".
Prva ispitivanja hvataljki nakon izlaska iz laboratorije proizvođača, odnosno ispitivanja odmah nakon ugradnje hvataljke, treba vršiti kako bi se proverilo da li hvataljka, od ispitnog stola u laboratoriji proizvođača, do svog konačnog postavljanja, nije izgubila svoje deklarisane karakteristike, oštećivanjem u transportu, prilikom montaže ili na neki drugi način.

Nivo zaštite	Interval između kontrola (godine)
I	2
II	4
III, IV	6

Istim ovim ispitivanjima hvataljka mora biti podvrgnuta u rokovima datim u tabeli (SRPS N.B4.802), koji su vezani za nivo zaštite koji ova hvataljka obezbeđuje štićenim objektima, odnosno nakon direktnog pražnjenja groma u instalaciju, kao i u slučaju promene, tj. eventualnog fizičkog proširenja štićenih objekata.

Na slici je prikazan uređaj za proveru ispravnosti hvataljke koji je snabdeven jednim mikroprocesorom da bi kod hvataljke tipa PREVECTRON bilo omogućeno izvesti sledeće dve provere:
- test kratkog spoja preko donjih elektroda, odnosno proveru dobre električne pripremljenosti hvataljke za reagovanje na porast električnog polja ambijenta i dobre funkcionalnosti uređaja za startovanje hvataljke i
- test dobrog rada transformatora preko gornjih elektroda.

Najnovija samotestirajuća hvataljka tipa PRVECTRON 2 Milenium S6.60T omogućava proveru ispravnosti uređaja za okidanje bez direktnog pristupa samoj hvataljci. Ona sadrži integrisano kolo za proveru ispravnosti unutar same hvataljke kao i spoljašnji solarni i komunikacioni modul pričvršćen za nosač hvataljke. Test uređaj se aktivira sa zemlje ili sa terase krova, maksimalne udaljenosti do 50m, pomoću daljinskog upravljača. Indikacija ispravnosti uredjaja ostvarena je pomoću LED diode koja se nalazi ispod oplata (omota) od nerđajućeg čelika.

Pošto je svoje hvataljke izložio mnogostrukim ispitivanjima u laboratorijskim uslovima, vršeći pražnjenja u svaki od tipova i preko nekoliko desetina hiljada puta i izlažući ih najrazličitijim naprezanjima rada i reagovanja u prirodnim uslovima a istovremenio sakupljajući statistike koje su govorile o besprekornom ponašanju ovih hvataljki u prirodnim uslovima, proizvođač se ohrabrio, da za svoje hvataljke, budućim korisnicima ponudi garanciju o 25-to godišnjoj funkcionalnosti ovih hvataljki, bez obzira na polaritet i broj pražnjenja u hvataljke intenziteta do 200kA u vreme važenja garancije.
Postupajući po zahtevima SRPS N.B4.802, provera ispravnosti rada svih hvataljki tip PREVECTRON instaliranih na teritoriji koju pokriva Institut NIRI od 1990. godine, pokazala je nepromenjenost karakteristika ovih gromobranskih hvataljki, bez obzira da li je u njih bilo pražnjenja u proteklom periodu ili ne.

Ispitivanja u laboratorijskim i prirodnim uslovima

Ispitivanja u laboratoriji visokog napona

Danas je u svetu nekoliko vrlo značajnih visokonaponskih laboratorija koje su građene radi ispitivanja visokonaponske opreme elektroenergetskih postrojenja i dalekovoda u kojima se, međutim, vrše i sva naučna ispitivanja i istraživanja na planu atmosferskih pražnjenja. To su naročito laboratorije CESI (Centro Electrotecnico Sperimentale Italiano) u Italiji, Hydro-Québec u Kanadi, General Electric Company u Sjedinjenim Američkim Državama, CRIPI (Central Researich Institute of Power Industry) u Japanu, CEPEL u Brazilu, a posebno Laboratorija visokon napona EdF-a u Renardières-u, jedinstvena u svetu po svojim gabaritima i mogućnostima ispitivanja. Laboratorijska ispitivanja obavljaju se uglavnom radi utvrđivanja vremena prednjačenja ∆t hvataljke sa ranim startovanjem u izbacivanju usponskog trasera u odnosu na istu tu pojavu sa vrha običnog Franklinovog štapa, pri svim istim ostalim relevantnim uslovima. Principijelna šema opreme laboratorije data je na sledećoj slici a opšti izgled laboratorije visokog napona pripremljene za ova ispitivanja na slici pored. Jednosmerni generator G1 proizvodi stalno električno polje ambijenta jačine 10 do 25 kV/m, negativnog polariteta (s obzirom da je u prirodi oko 90% pražnjenja negativnog polariteta), koje treba da simulira prisustvo ovog polja u prirodnim uslovima pred nailazak nevremena ali i da bi se formirao efekat korone na vrhu šiljka hvataljki tipa PREVECTRON. Marksov generator G2 će omogućiti simulaciju promene električnog polja ambijenta, promenljivog u prirodnim uslovima sa približavanjem čela silaznog trasera. Oblik udarnog talasa ovog generatora imaće vreme čela t_č između 100 i 1200 μs. U zoni u kojoj će se inicirati uzlazni traser, strmina talasa će iznositi 2.10⁸ do 2.10⁹ V/m/s.

Visina platoa od tla je iznosila H=2.05m dok je dužina nosećeg štapa zajedno sa hvataljkom iznosila h=1m, čime su bili zadovoljeni zahtevi NF C 17 102, odnosno da je: 0.25 kao i H > 2, gde je H=d+h. Električno polje jednosmernog generatora iznosilo je 25 kV/m, koje je bilo održavano na tom nivou za sve vreme trajanja eksperimenta. Generator G2 omogućavao je naglo podizanje potencijala platoa na vrednost od 900kV i formiranje udarnog talasa, čija je strmina fiksirana na t_č = 325 μs. Temperatura ambijenta se kretala između 17°C i 18°C, sa vlažnošću vazduha između 71% i 72% za sve vreme ispitivanja.

Više o ovom tipu ispitivanja i rezultatima možete naći u radu prof. Svetislava Smiljanića "Ponašanje gromobrana sa uređajem za rano startovanje, tip PREVECTRON 2, u laboratorijskim i prirodnim uslovima", Zbornik radova IV Konferencije Atmosferska pražnjenja i zaštita, Vrnjačka Banja, 2001 (preuzmite rad {4MB!})) ili na sajtu firme INDELEC (http://www.indelec.com) .

Ispitivanja u prirodnim uslovima

Svrha ispitivanja u prirodnim uslovima je da se:
- potvrde performanse gromobrana dobijene u laboratorijskim uslovima,
- potvrdi funkcionalnost gromobrana i
- potvrdi postojanost gromobrana u brutalnim, prirodnim, uslovima stvarnih udara groma.

Danas se ispitivanja na otvorenom, u prirodnim uslovima, "in situ", obavljaju na dva načina:
- izazvanim pražnjenjem u testirane gromobrane prirodnom munjom, što će reći ispitivanja veštačkim pražnjenjem groma i
- prirodnim pražnjenjem u testirane gromobrane, odnosno ispitivanja ponašanja prirodne munje.
U oba slučaja postavljaju se paralelno običan Franklinov štap i gromobrani sa uređajem za rano startovanje. Dobijeni rezultati mogu biti upoređivani sa onim snimljenim u laboratorijskim uslovima, što je u većini slučajeva i suštinski predmet ispitivanja na otvorenom, kako bi se povukla paralela između veličina pražnjenja u laboratoriskim i pražnjenja u prirodnim uslovima.

Izazvano pražnjenje je veštačko pokretanje munje izbacivanjem rakete sa zemlje,

slične onoj za protivgradnu zaštitu, koja za sobom povlači tanak bakarni provodnik, uzemljen na svom početku, koji se odmotava sa doboša u donjem delu rakete. Njena fotografija data je na slici. Ovaj projektil sa odmotanom bakarnom žicom, ponaša se kao jedan izduženi Franklinov štap a ogled je pokazao da će se njime ipak grom morati pokrenuti. To je takozvani LRS sistem (Lightning Rockety System), sa svoje dve varijante LRS-A (Lightning Rockety System Altitude) i LRS-AG (Lightning Rockety System Altitude Grunded). Prvi put je jedan ovakav ogled izveo profesor Njumen (M.M.Newman), na moru 1963. godine, da bi deset godina kasnije ova tehnika bila primenjena na poligonu u Saint-Privat d’Allier -u, a zatim 1993. godine na vojnom poligonu u Blanding-u na Floridi. Na susednoj slici fotografisano je jedno izazvano pražnjenje, na kome se jasno vidi na kojoj je visini ispaljenu raketu susreo ili presreo silazni traser iz oblaka.

Prirodna pražnjenja zahtevaju dugoročna praćenja i isčekivanja da se pražnjenje odigra na mestima gde su postavljeni instrumenti za snimanja, osmatranja razvoja pražnjenja i prikupljanja svih važnih podataka o spontanom atmosfesrkom pražnjenju. Brojni su poligoni na otvorenom, koji su stalno u pogonu ili postavljeni samo za praćenje pražnjenja u vreme najintenzivnijih grmljavinskih dana, na mestima gde su ona po statistikama najučestalija ali i najbrojnija.

Među njima najkarakterističniji poligon, ali i najkvalitetniji, opremljen mernom opremom najvećih kvaliteta i mogućnosti, formiran 1998. godine od strane Central Lightning Protection Inc. Shibuyaku Yoyogi–Tokyo, na ostrvu Nadachi, na severozapadnoj strani Japana, dao je fascinantne rezultate. Ostrvo Nadači je izloženo jakim vetrovima skoro cele godine, pa su na njemu decembra meseca 1996. godine instalirane dve trokrake vetrenjače sa horizontalnom osom, za proizvodnju električne energije, maksimalne visine 51,5 metara, na međusobnom rastojanju od 125 metara (slika 17). Decembar i januar, kao i juli i avgust, su meseci na ostrvu Nadači sa najintenzivnijim nevremenom praćenim jakim atmosferskim pražnjenjima, izokerauničkog nivoa iznad 35. Najbrutalniji je bio period januara 1997. godine, kada su direktna atmosferska pražnjenja desetkovala oba ova postrojenja: štete su pretrpeli generatori, energetske električne instalacije, došlo je do prekida elektroenergetskog sistema, telekomunikacija i informatike, čak su i elise jedne od vetrenjača bile polomljene ovim nevremenom. Bolji poligon za proveru funkcionalnosti gromobranskih hvataljki tip RPEVECTRON u prirodnim uslovima, nije se mogao ni zamisliti! Između ove dve vetrenjače, prema datoj slici, postavljena je jedna hvataljka tipa PREVECTRON 2 S6.60, na jarbolu visine 60 metara, tako da je ona za 8,5 metara bila viša od maksimalne visinske amplitude vetrenjača. Na nekoliko kilometara od vetrenjača postavljeni su bili svi instrumenti za snimanje a signal GPS satelita bio je korišćen za upisivanje vremena događanja pojava koje su praćene. Sva registrujuća oprema bila je neprekidno u pogonu. Najkarakterističniji rezultati dobijeni su u prvom tromesečju i decembru 1998. godine. U ovom periodu ostvarena su ukupno 32 direktna pražnjenja u područje ovog poligona: 29 u PREVECTRON 2 S6.60, tri u elise udaljenije vetrenjače! Na susednoj slici prikazano je jedno od ovih pražnjenja.

Više o ovom tipu ispitivanja i rezultatima možete naći u radu prof. Svetislava Smiljanića "Ponašanje gromobrana sa uređajem za rano startovanje, tip PREVECTRON 2, u laboratorijskim i prirodnim uslovima", Zbornik radova IV Konferencije Atmosferska pražnjenja i zaštita, Vrnjačka Banja, 2001 (preuzmite rad {4MB!}) ili na sajtu firme INDELEC (http://www.indelec.com) .