Strona główna...  Kontakt...  Mapa strony...
ZNAJDŹ PRODUKT
MENU Artykuły całe Analiza symulacyjna rozpływu prądu piorunowego w instalacji odgromowej obiektu budowlanego

Analiza symulacyjna rozpływu prądu piorunowego w instalacji odgromowej obiektu budowlanego



Abstract.
This paper describes the numerical model of a typical lightning protection system (LPS). This model was used to get information’s about lightning current distributions as an effect of direct lightning strike to this protection system. To do this was chosen software MATLAB/SIMULINK with library SimPowerSystem. With this tool Author build numerical model of a real object with LPS and using simulations obtained results as current values in every conductor of LPS structure. Next step of this investigations was use this results for calculating magnetic field strength inside the object. To do this task Author wrote in MATLAB environment the script program for calculating one and presenting results. Finally Author draw conclusions.

Streszczenie.

Niniejszy artykuł opisuje model numeryczny typowego zewnętrznego systemu ochrony odgromowej (tzw. LPS – ang. Lightning Protection System). Model ten został utworzony celem uzyskania informacji o rozpływie prądu piorunowego jako następstwa bezpośredniego wyładowania w zwód tejże struktury. Do realizacji tego zadania wybrane zostało środowisko MATLAB/SIMULINK wraz z biblioteką SimPowerSystem. Wykorzystując je Autor utworzył numeryczny model istniejącego w rzeczywistości systemu ochrony odgromowej i w wyniku przeprowadzenia symulacji uzyskał wyniki w postaci wartości prądu w każdym przewodniku tej struktury. Jako następny krok w niniejszym eksperymencie została wykonana symulacja rozkładu natężenia pola magnetycznego wewnątrz takiej struktury, a Autor w tym celu wykorzystał własny skrypt napisany również w środowisku MATLAB. Na koniec Autor podsumowuje badania i wyciąga wnioski.

Wstęp.
Wraz z postępem technologicznym i wynikającym z niego coraz bardziej zaawansowanym konstrukcjom urządzeń elektronicznych, znaczącym staje się problem zapewnienia im kompatybilności elektromagnetycznej w środowisku, w którym mają pracować. Zagadnienie to jest o tyle istotne, ponieważ jak pokazuje praktyka, wraz ze wzrostem stopnia złożoności urządzenia maleje jego poziom odporności na zakłócenia mogące na niego oddziaływać, w szczególności w miejscu jego pracy.

Jednym z najgroźniejszych narażeń dla urządzeń elektrycznych i elektronicznych zasilanych z sieci niskiego napięcia są doziemne wyładowania atmosferyczne. Ich charakterystyka opisana jest bardzo dużą energią rzędu megadżuli, bardzo krótkimi czasami narastania impulsu prądowego rzędu pojedynczych mikrosekund, dużymi wartościami szczytowymi prądu piorunowego osiągającego wartość setek kiloamperów, co razem w efekcie może doprowadzić do powstania poważnego zagrożenia dla infrastruktury elektronicznej w przypadku bezpośredniego trafienia w obiekt, ale również w sposób pośredni poprzez generację pola elektromagnetycznego (tzw. LEMP – ang. Lightning Electro-Magnetic Pulse, [2]) mogącego wpływać na ich pracę lub indukować prądy i napięcia zakłóceniowe w dochodzących do nich instalacjach.

Aby zminimalizować prawdopodobieństwo wpływu zakłóceń na pracę wrażliwego urządzenia zalecane jest tworzenia systemów ochronnych, takich jak zewnętrzna instalacja odgromowa (LPS – ang. Lightning Protection System) i uzupełniająca ją wewnętrzna instalacja przepięciowa. O ile ta druga instalacja opisana została w poprzednim artykule [1], tak niniejszy artykuł zawiera analizę instalacji zewnętrznej.

Model zewnętrznej instalacji odgromowej (LPS)

W przypadku bezpośredniego trafienia wyładowania atmosferycznego w zwód zewnętrznego systemu odgromowego dochodzi do rozpływu prądu piorunowego po przewodach odprowadzających dołączonych do systemu uziomowego [3]. Część prądu piorunowego zostaje odprowadzona do ziemi, natomiast część wpływa poprzez układ wyrównywania potencjałów do wewnętrznych instalacji. Nie jest to jednak jedyne źródło zagrożenia, ponieważ przepływający prąd charakteryzuje się znacznymi wartościami oraz dużą stromością czoła, co powoduje powstanie pola magnetycznego o znacznych wartościach, które indukuje w wewnętrznych instalacjach napięcia zakłóceniowe. Biorąc zatem pod uwagę coraz niższy poziom odporności urządzeń istotne jest posiadanie wiedzy o obszarach obiektu, w których potencjalnie może pojawić się pole magnetyczne przekraczające poziom odporności urządzenia tam pracującego.

W tym celu jako pierwszy etap badań symulacyjnych wykonany został model rzeczywistej instalacji odgromowej obiektu, którym był wolnostojący budynek o zewnętrznym wymiarze 38 x 20 x 10 metrów (rys. 1). Budynek ten składał się trzech części – środkowej o dachu dwuspadowym oraz dwóch przybudówek o płaskiej konstrukcji dachu. Został on wyposażony w zewnętrzną instalację odgromową wykonaną zgodnie z zaleceniami normy PN-EN 62305-3 [3]. Budynek został wyposażony w uziom pionowy o rezystancji 10 Ω.


 Rys. 1. Plan instalacji odgromowej rozpatrywanego obiektu (rzut z góry).

W wielu przypadkach po wykonaniu tego rodzaju instalacji i ewentualnym stwierdzeniu
zgodności z normą [3] ten etap prac uznaje się za zakończony. Niestety może się okazać, że
np. przyjęte rozmieszczenie przewodów odprowadzających prąd piorunowy bezpośredniego
wyładowania będzie powodowało powstanie w obiekcie stref, w których nie powinny
znajdować wrażliwe urządzenia elektroniczne, tudzież strefa ta powinna być dodatkowo
zabezpieczona np. poprzez ekranowanie.
Aby uzyskać informację o rozpływie prądu piorunowego w instalacji odgromowej
stworzony został model symulacyjny w środowisku MATLAB / SIMULINK. Każdy fragment
instalacji został przeliczony do parametrów skupionych RL i w takiej formie zamodelowany.
Znając materiał, z którego wykonana jest instalacja i jej wymiary można było wykorzystać
dwa proste wzory do dokonania wspomnianego przeliczenia:


gdzie: ρ – rezystywność materiału, l – długość przewodu, s – pole przekroju przewodu


gdzie: l – długość przewodu, d – średnica przewodu

W wyniku tego powstał model przedstawiony na rysunku 2.


Rys. 2. Model symulacyjny układu ochrony odgromowej.

Do modelu, do jednego z zamodelowanych zwodów, doprowadzony został udar
prądowy o kształcie 10/350 μs i wartości szczytowej 55 kA (rys. 3).


Rys. 3. Kształt udaru prądowego doprowadzonego do LPS.

Jego kształt został opisany zalecanym w normie PN-EN 62305-1 [2] wzorem:



W wyniku przeprowadzenia symulacji uzyskane zostały przebiegi czasowe prądów w
poszczególnych fragmentach (odcinkach) instalacji odgromowej.

Obliczenia pola magnetycznego
Bazując na uzyskanych w drodze symulacji maksymalnych wartościach prądów
rozpływających się po konstrukcji instalacji odgromowej można obliczyć rozkład natężenia
pola magnetycznego wewnątrz obiektu (konstrukcji LPS). Dla uproszczenia w obliczeniach
nie została uwzględniona konstrukcja obiektu i wynikające z tego zjawiska ekranowania i
odbicia fal. Całość obliczeń została wykonana w środowisku MATLAB z użyciem
napisanego w tym celu skryptu. Algorytm obliczeń polegał na tym, że całość obszaru
obejmującego rozpatrywany obiekt została zdyskretyzowana z zadaną dokładnością1) i
wprowadzeniu do trójwymiarowych tablic informacji o wartościach prądu w poszczególnych
odcinkach instalacji odgromowej. Następnie dla każdego punktu przestrzeni2) została
policzona suma pól od każdego odcinka instalacji LPS, przez który przepływał częściowy
prąd piorunowy, jednocześnie uwzględniając stopień dokładności. Do obliczenia pola
wykorzystany został wzór wynikający z prawa przepływu [4].



gdzie: I – maksymalna wartość prądu, r – odległość między źródłem pola a przeliczanym
punktem w przestrzeni.
Przykładowe wyniki uzyskane z obliczeń zebrane zostały poniżej (rys. 4)


Rys. 4. Przykładowe przekroje z rozkładem maksymalnych wartości natężenia pola magnetycznego wewnątrz
struktury LPS (w A/m, dla różnych wysokości przekroju, rozkład jest obrócony o 90º w prawo względem rzutu
zamieszczonego na rys. 1, x-y – wymiary obiektu, h – wysokość danego przekroju).

Jak można zauważyć na przedstawionych przykładowych wynikach istotnie wewnątrz obiektu
pojawiają się strefy o większym natężeniu pola magnetycznego niż w innych miejscach (im
cieplejsza barwa tym większe natężenie pola magnetycznego). Maksymalna wartość
przekracza 30 kA/m w bezpośrednim sąsiedztwie (w odległości rzędu kilkunastu
centymetrów) każdego z przewodów odprowadzających, przy średnim poziomie pola około
15 kA/m wewnątrz struktury. Pomimo tego, że z formalnego punktu widzenia instalacja LPS
jest wykonana poprawnie, to jednak instalując wrażliwą elektronikę w takim obszarze bez
dodatkowej ochrony narażamy ją na zakłócenie pracy lub nawet zniszczenie.

Podsumowanie i wnioski.

Wykorzystując możliwości współczesnych komputerów, oprogramowania typu
MATLAB/SIMULINK oraz wiedzą teoretyczną wspieraną przez praktykę inżynierską
jesteśmy w stanie zweryfikować (zoptymalizować) skuteczność zaprojektowanej zewnętrznej
ochrony odgromowej. Niewątpliwie rozpływ prądu piorunowego poprzez elementy
zewnętrznej instalacji odgromowej uzależniony jest od miejsca trafienia wyładowania
atmosferycznego (w który zwód), ale również od układu połączeń przewodów
odprowadzających, długości przewodów uziemiających i rodzaju uziemienia. W
analizowanym przykładzie rozpływ prądu piorunowego był niesymetryczny (w bliższej
wyładowaniu części LPS zaobserwowane zostały większe natężenia prądu niż w dalszej), co
doprowadziło do sytuacji, w której w pewnych obszarach obiektu powstawało większe
natężenie pola magnetycznego niż w innych. Mając taką wiedzę jesteśmy w stanie w razie
zaistnienia konieczności bądź przeprojektować LPS, bądź zmodyfikować rozmieszczenie
sprzętu elektronicznego wewnątrz obiektu, bądź wprowadzić dodatkowe elementy ochronne,
jak np. ekranowanie, dodatkowe połączenia odprowadzające czy wyrównawcze. Niezależnie
od dalszego postępowania wraz z faktem zainstalowania zewnętrznej ochrony odgromowej
niezbędne jest wykonanie wewnętrznej instalacji ochrony przed przepięciami przewodzonymi
oraz indukowanymi.



1) W przypadku wyników prezentowanych w dalszej części artykułu wynosiła ona 0.25m, natomiast można ten parametr dowolnie zmieniać, niemniej im większa dokładność tym zauważalnie dłuższy czas obliczeń.
2) Przestrzeni ograniczonej wymiarem rozpatrywanego obiektu plus pewien margines.

dr inż. Konrad Sobolewski
Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny
Zakład Wysokich Napięć i Kompatybilności Elektromagnetycznej


Bibliografia
1. Sobolewski K. „Badania symulacyjne normatywnego układu ochrony przepięciowej urządzeń elektrycznych niskiego napięcia”, Przegląd Elektrotechniczny, Warszawa 2010
2. PN-EN 62305-1: Ochrona odgromowa - Część 1: Zasady ogólne
3. PN-EN 62305-3: Ochrona odgromowa - Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia
4. Rawa H. „Podstawy elektromagnetyzmu”, OWPW, Warszawa 1996
5. Flisowski Z. „Technika wysokich napięć”, WNT, Warszawa 1988
Spis rysunków
Rys. 1. Plan instalacji odgromowej rozpatrywanego obiektu (rzut z góry).
Rys. 2. Model symulacyjny układu ochrony odgromowej.
Rys. 3. Kształt udaru prądowego doprowadzonego do LPS.
Rys. 4. Przykładowe przekroje z rozkładem maksymalnych wartości natężenia pola magnetycznego wewnątrz struktury LPS (w A/m, dla różnych wysokości przekroju, rozkład jest obrócony o 90º w prawo względem rzutu zamieszczonego na rys. 1, x-y – wymiary obiektu, h – wysokość danego przekroju).
Ta strona używa COOKIES. Korzystając z niej wyrażasz zgodę na wykorzystywanie cookies, zgodnie z ustawieniami Twojej przeglądarki. Więcej szczegółów na naszej stronie polityka prywatności