Demystifikace hromosvodu s ionizačním zařízením (hiz)

Jímací zařízení je jednou ze součástí systému ochrany před atmosférickým přepětím (SOAP), jehož úkolem je zachytit sestupující vůdčí výboj atmosférického přepětí tak, aby mohl být proud veden přes sestupující podsystém a následně bezpečně rozptýlen uzemňovacím podsystémem. Čím účinněji tedy bude zachycen sestupující vůdčí výboj, tím bezpečnější bude ochrana zabezpečené oblasti.

Koncepce zařízení

V případě hromosvodu Franklinova typu, který nabízí tradiční způsob ochrany před atmosférickým přepětím, je aktivní paprsek závislý na geometrických parametrech a na úrovni zamýšlené ochrany. U hromosvodů s ionizačním zařízením (HIZ), které jsou rovněž koncipované na principu elektrogeometrického modelu (metoda valivé koule), hraje zásadní roli při výpočtu poloměru ochrany dodatečný parametr, kterým je iniciační předstih jímače (ΔT), jak již bylo stanoveno v bezpečnostních normách a ověřeno na základě zkušeností po celém světě. Řada studií potvrdila, že vzestupný vůdčí výboj vysílaný z jímacího zařízení zachytí dříve než jakýkoli jiný bod sestupný vůdčí výboj. Hromosvody s ionizačním zařízením jsou speciálně koncipovány pro využití této funkce a jejich účinnost je ověřována při zkouškách ve vysokonapěťových laboratořích. Výzkumy vedené řadou korporací, technologických institucí a specialistů po celém světě [1] prokázaly, že anticipace vzestupného vůdčího výboje poskytuje větší poloměr ochrany, a tudíž i efektivnější a rozsáhlejší míru zachycení, než je tomu v případě hromosvodu Franklinova typu umístěného ve stejném bodě.

Elektrické podmínky na špici hromosvodu jsou rozhodující pro délku vysílání vzestupného vůdčího výboje. Nejnovější vědecké studie dokazují, že nadměrná produkce prostorového náboje (space charge) v okolí vrcholu jímací tyče může oddálit začátek vzestupného vůdčího výboje [2] a tímto způsobem pak dochází k zúžení poloměru ochrany. To se jeví jako nevýhoda hromosvodu Franklinova typu a současně jako příčina několika zdokumentovaných případů, ve kterých tento typ jímače poskytl menší poloměr ochrany, než by se bývalo očekávalo.

Hromosvody s ionizačním zařízením využívají rozličné techniky sloužící k vytvoření elektrických podmínek vhodných pro vysílání vzestupného vůdčího výboje (a následně souvislého vzestupného vůdčího výboje), a to ve správný čas a s ohledem na stupňovitý vůdčí postupný výboj, čímž zachycují bleskový výboj ve vyšších výškách. Je třeba zdůraznit, že mezi funkce zanedbatelný a irelevantní, srovnatelný s těmi, které se vyskytly v případě tradičních systémů.

Empirická validita je uznávaná prostřednictvím publikovaných a vědeckou komunitou přijatých studií. Jako příklad bude v tomto článku podrobně zmíněno pět výzkumů uskutečněných jak v Evropě (Francie a Španělsko), tak i ve zvláště dotčených regionech planety: v Malajsii a na Kubě.

V roce 2002 soukromý nezávislý výzkumný ústav světového renomé IPSOS prostřednictvím výzkumu uskutečněného ve Francii a na základě žádosti francouzského Národního institutu pro průmyslová prostředí a jejich rizika INERIS, který patří do působnosti Ministerstva životního prostředí a organizace GIMELEC (Uskupení francouzských podniků elektrotechnického sektoru) [4], potvrdil empirickou validitu hromosvodu s ionizačním zařízením. V rámci tohoto výzkumu bylo osloveno 1581 průmyslových podniků, z nichž 489 se výzkumu zúčastnilo. Z těchto 489 průmyslových závodů 78,9 % bylo chráněno nějakým systémem ochrany před atmosférickým přepětím. Celková spokojenost oslovených manažerů byla v případě podniků chráněných systémem s ionizačním zařízením v 95,7%, v případě podniků chráněných Faradayovou klecí v 96 % a v 89,7 % v případě podniků chráněných hromosvody Franklinova typu. Tyto výsledky potvrzují data získaná po zavedení prvních norem pro tradiční systémy ochrany před atmosférickým přepětím [5], jakož i v prvních dekádách po normalizaci a intenzifikaci zavádění hromosvodů s ionizačním zařízením.

V roce 2014 byla ve Francii uskutečněna další studie ve stejné oblasti s cílem získat zpětnou vazbu od uživatelů hromosvodů s ionizačním zařízením. Pod etickou kontrolou GIMELECU bylo osloveno 204 podniků chráněných celkem 1580 nainstalovanými hromosvody s ionizačním zařízením [6]. V rámci této skupiny studovaných lokalit bylo 40 míst zasaženo atmosférickým přepětím, což představuje celkový počet 320 zasažených hromosvodů s ionizačním zařízením. Pouze 5 míst z výše uvedeného počtu podniků zaznamenalo škody, z nichž na dvou místech šlo o škody způsobené v důsledku zásahu uvnitř navrženého poloměru ochrany (přičemž nejpřísnější úroveň ochrany, úroveň I., nabízí pouze 98% pravděpodobnost zachycení) a na třech místech byly škody způsobeny následkem absence zařízení přepěťové ochrany. 45 % uživatelů uvedlo, že jsou spokojeni se systémem ochrany, 48 % uživatelů, že jsou velmi spokojeni. Tato studie kromě toho, že představuje statistický důkaz, dokazuje také fungování hromosvodu s ionizačním zařízením na základě zkušenosti.

Později v roce 2014 byla publikována další studie ve Španělsku, která zde byla vedena pod dohledem Technologického energetického institutu (ITE), výzkumného centra, které je partnerskou organizací univerzity „Universidade Politécnica“ ve Valencii [7]. Studie zahrnovala 4645 instalací hromosvodů s ionizačním zařízením, které byly uskutečněny v letech 1998 až 2009. Všechny tyto instalace byly a jsou pravidelně kontrolovány. Tento výzkum lze považovat za bezprecedentní a mimořádně důležitý, protože v oblasti výzkumu přepěťové ochrany dosud nebyl představen tak rozsáhlý a podrobný seznam instalací. Na základě rozhovorů, záznamů pojišťovacích ústavů a inspekčních zpráv v souladu s platnými normami bylo nevylučujícími normami: norma IEC 62305 pro pasivní systémy a španělská norma UNE 21.186 pro aktivní systém hromosvodu s ionizačním zařízením vzhledem k tomu, že specifická kubánská norma neexistuje.

Regulační zkušenost

Referenční normou pro ochranu před atmosférickými výboji prostřednictvím ochranných systémů s ionizačním zařízením je francouzská norma NFC 17102, neboť byla první normou, která na světě zavedla standardy pro používání této technologie, její první verze byla vydána v roce 1995. Tato norma byla přeložena do několika jazyků, několikrát přizpůsobena a vstoupila v platnost v celé řadě zemí, jako je Španělsko, pod označením UNE 21.186, Portugalsko, pod označením NP 4426, Turecko, TSE K 122, Angola, N33, atd. Dnes jsou tyto normativní předpisy týkající se HIZ používány všude ve světě, zejména v případech, kdy v dané zemi neexistuje konkrétní specifický standard. Například několik španělsky mluvících zemí Jižní Ameriky přijalo za svou španělskou normu UNE 21.186, stejně tak jako USA, které používají anglickou verzi francouzské normy NFC 17102, a to včetně certifikačních institucí, jako jsou Underwriters Laboratories (UL). Podobně v Evropské unii mohou být národní normy využívány v jiných zemích v souladu s článkem 34 Smlouvy o EU, která upravuje volný pohyb zboží, služeb a osob. V Brazílii jde o normu týkající se tradičních systémů ochrany, normu NBR 5419:2015, která však nezakazuje, ale ani nezmiňuje systém ochrany prostřednictvím hromosvodů s ionizačním zařízením, jak vyplývá z odstavce 5.2.1 jejího 3. článku.

Normy NFC 17102:2011, NP 4426:2013 a UNE 21.186:2011 přijaly celou řadu požadavků plynoucích z mezinárodní normy o ochraně prostřednictvím tradičních systémů IEC 62305, jako jsou čtyři stejné úrovně ochrany založené na analýze rizik, specifické dimenzování v případě vysokých struktur se zvláštními dodatečnými podmínkami, uzemnění typu A a B, ochranná opatření proti dotykovému a krokovému napětí, rozpis inspekcí SOAP. Současně zahrnuly veškeré požadavky vydání IEC 62561 týkajícího se komponentů a materiálů používaných u SOAP. Je zajímavé zmínit, že norma NFC 17102:1995, revidovaná v roce 2011 z důvodu žádosti Evropského výboru pro normalizaci v elektrotechnice – CENELEC, neboť CENELEC dostal za úkol odpovědět zástupcům ICLP – International Conference on Lightning Protection, že norma NFC 17102:2011 není v rozporu s normou IEC 62305.

Dimenzování

Vzorec pro výpočet poloměru ochrany hromosvodu s ionizačním zařízením je standardizovaný vzorec, který je velmi podobný původnímu vzorci, neboť je také založen na principu elektromagnetického modelu (EGM).

Historie vývoje

Od dob Benjamina Franklina až do současnosti je vnější ochrana budov před bleskem, tedy zachycování a uzemňování atmosférických výbojů, empiricky založena a ověřována [3]. V průběhu historie byly systémy ochrany před bleskem vylepšovány na základě metody pokus–omyl, dokud nebylo dosaženo přijatelných výsledků. Proces standardizace má zásadní význam v postupném procesu vývoje ochranných systémů, kdy dochází k přizpůsobování pravidel v souladu se zkušenostmi a technologickým vývojem. Hromosvod s ionizačním zařízením patří k technologiím, k jejichž konsolidaci přispělo 35 let jejich trvání založeného na rozsáhlé empirické validaci a mnohaletých regulačních zkušenostech.

Po celém světě je nainstalován více než jeden milion neradioaktivních hromosvodů s ionizačním zařízením ve všech typech klimatických a zeměpisných podmínek, zvláště pak v zemích s vysokou keraunickou úrovní. Pokud jde o obdržené výsledky, které převyšují předpokládaná procenta účinnosti stanovených úrovní ochrany, zpětná vazba je naprosto příznivá. To znamená, že výskyt škod je z hlediska statistiky zcela zjištěno, že žádná z prověřovaných instalací nebyla poškozena v důsledku atmosférického přepětí s tím, že 2019 instalací bylo vybaveno počítadlem bleskových impulzů, které zaznamenalo 549 úderů blesku. Tyto údaje představují nepochybně další empirickou validitu technologie hromosvodu s ionizačním zařízením.

Další soukromý nezávislý výzkumný ústav Mega Jati Consult Sdn Bhd (MJCSB) uskutečnil v roce 2016 výzkum v Malajsii na žádost Oddělení pro regulaci elektrické bezpečnosti národní energetické komise (Suruhanjaya Tenaga – ST) [8]. Celkem 419 budov bylo prověřeno a zařazeno do kategorií (jako obytné budovy, vládní budovy, školy, průmyslové závody, letiště apod.). 88 % z těchto budov bylo chráněno systémem ochrany před atmosférickým přepětím (SOAP). Z 306 budov chráněných tradičním systémem ochrany jich 22 utrpělo škody následkem úderu blesku (ať už na strukturách budov, přerušení přívodu elektrické energie, přerušení telekomunikačních spojení, nebo jejich ztráta), což představuje 7,18 %. Z 64 budov chráněných hromosvodem s ionizačním zařízením pouze 3 utrpěly škody způsobené úderem blesku, což představuje 4,68 %. Tento výsledek je hmatatelným důkazem toho, že použití hromosvodu s ionizačním zařízením prokazuje přinejmenším stejnou, a v případě tohoto výzkumu dokonce nižší poruchovost než u tradičních ochranných systémů. Tyto vzorky jsou koherentní a dostatečné k tomu, aby významnou měrou potvrdily empirickou validitu tohoto systému.

Stejným způsobem jako v případě předchozí studie jsme provedli analýzu studie, která byla uskutečněna na Kubě v roce 2011 [9] Kubánským elektrotechnickým výborem odpovědným za standardizaci v rámci Kubánského národního normalizačního úřadu, což je instituce odpovídající Brazilskému energetickému výboru (COBEI) v rámci Brazilské asociace technických norem (ABNT). Tato studie je stejně tak relevantní jako studie uskutečněná v Malajsii, a navíc pochází ze země s podobnými charakteristikami, jako má Brazílie, vzhledem ke své zeměpisné poloze (Jižní Amerika), podnebí (tropické a subtropické v souladu s Köppenovou klimatickou klasifikací, které je zvláště vystaveno častému atmosférickému přepětí), hustotě blesků (vysoké) a míře úmrtnosti (průměrně 65 obětí ročně). Navíc Agentura protipožární ochrany (APCI) je státním orgánem, který je odpovědný za kontrolu certifikací systémů ochrany před atmosférickým přepětím na kubánském ostrově a svou činností se podobá brazilským hasičským sborům, neboť mimo jiné podrobně zaznamenává statistiky o ochranných zařízeních a nehodách spojených s úderem blesku. Z toho důvodu jsou údaje z tohoto výzkumu vnímány jako zvláště reprezentativní. Na základě údajů, které poskytla Agentura protipožární ochrany, bylo zjištěno, že je v zemi 690 pasivních ochranných systémů (hromosvody Franklinova typu a Faradayova klec) a 6940 aktivních systémů (hromosvody s ionizačním zařízením) a současně se prokázalo, že zkušenost s touto rozsáhlou skupinou ochranných systémů je velmi uspokojivá. Ve skutečnosti je míra nehodovosti v chráněných strukturách velmi nízká a studie ukazují na příčiny těchto nehod, které nediskreditují žádný ze tří ochranných systémů: nedostatek nebo chyba v projektu, nedostatečná údržba, nevhodné chování lidí, absence DPS a minimální poškození, pod hranicí tolerance a v souladu s úrovní ochrany. Kromě toho, že jde o empirickou validitu obou systémů ochrany – jak tradičního, tak moderního – v oblasti s vysokou hustotou blesků, je třeba dodat, že oba systémy vedle sebe dokonale koexistují v souladu se vzájemně se očekávaná účinnost zařízení, a zahrnují i řadu povinných testů ověřených nezávislými certifikačními orgány, jako jsou: Bureau Veritas nebo Underwriters Laboratories (UL): Kontrola značení (jméno výrobce, sériové číslo, certifikační plomby) Mechanické zkoušky Zkoušky klimatického prostředí ve slané mlze a vlhké sírové atmosféře Proudová zkouška (odolnost hromosvodu s ionizačním zařízením vůči výbojům bleskového proudu o 100 kA při tvaru vlny 10/350μs) Měření iniciačního předstihu jímače (ΔT) podle přísného kritéria směrodatné odchylky.Žádná jiná norma pro hromosvody s ionizačním zařízením na světě neposkytuje a nevyžaduje výkonnostní kritérium pro jímací tyče, jako je kritérium stanovené ve francouzské, portugalské, španělské normě a dalších. Například norma IEC 62305 neposkytuje pokyny k testům očekávaného výkonu hromosvodu Franklinova typu nebo Faradayovy klece, což dokazuje přesnost ochranného úhlu nebo dimenzování sítě, a to jak při laboratorních zkouškách, tak i v terénu.

Zkoušky a certifikace

Na rozdíl od norem tradičních systémů se normy týkající se hromosvodů s ionizačním zařízením po posledních revizích zpřísnily, aby byla zaručena.

Zkušenost s hiz v brazílii

Hromosvody s ionizačním zařízením jsou instalovány v Brazílii od konce 80. let, tedy od začátku jejich používání, a vykazují velmi pozitivní výsledky na základě zkušeností koncových uživatelů. Dnes je podniky patřící do celé řady průmyslových sektorů instalují jako doplňkové ochranné systémy proti přímým dopadům atmosférických výbojů. Mezi ně patří například automobilka (Pirelli), cementárna (Lafarge Holcim), elektrotechnický závod (ABB), farmaceutický podnik (Eurofarma), mrazírenský podnik (JBS), metalurgický závod (Usiminas), nemocnice (Unimed), těžební společnost (Imerys), univerzity (UFG), a dokonce dodavatelé energií (EDP a COPEL).

Závěr

Tento článek jasně dokazuje, že empirická validita získaná díky nashromážděným zkušenostem v průběhu let všemi systémy ochrany před atmosférickým přepětím zůstává nejdůležitějším – a v případě tradičních systémů prakticky jediným – hodnoticím faktorem, neboť tyto systémy vycházejí z vlastní zkušenosti s používáním, ze statistik a modelování. V důsledku tohoto můžeme usoudit, že všechny systémy ochrany před bleskem, u nichž se prokáže alespoň minimální empirická validita, je třeba hodnotit stejně.