Ochrona przed zagrożeniem ...

Ochrona przed zagrożeniem piorunowym w strefach zagrożonych pożarem, Energetyka

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
//-->OCHRONA ODGROMOWAOchrona przed zagrożeniem piorunowymw strefach zagrożonych pożaremAndrzej SowaPodstawowym zadaniem instalacji piorunochronnej jest ochrona obiektu przed zagrożeniami wy-stępującymi podczas bezpośredniego wyładowania piorunowego. W takim przypadku przepływprądu 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 (miejscewpływania 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 piorunowyOcena zagrożeń stwarzanych przez przepływ prądu piorunowego wymaga określenia kształtów prą-dów piorunowych pierwszego oraz kolejnych wyładowań doziemnych. Zalecane przez normyochrony odgromowej [4, 6] wartości podstawowych parametrów charakteryzujących kształty prą-dów piorunowych zestawiono w tabeli 1.Tabela 1.Wartości podstawowych parametrów charakteryzujących prąd piorunowy wyładowaniadoziemnego [6]Wartości podstawowych parametrów charakteryzujących prąd piorunowySkładowaPoziomwyładowaniaochronyIPierwszaskładowaKolejneskładoweIIII i IVIIIIII i IVDługotrwałaskładowaprąduIIIIII i IVWartośćszczytowa200kA150kA100kA50kA37,5kA25kA400A300A200AStromośćnarastaniakA/µs201510200150100------Czastrwania0,5 s0,25/10010/350KształtCałkowityładunekC **300225150------200150100ŁadunekimpulsowyC*1007550---------------EnergiawłaściwakJ/Ω10 0005 6002 500---------------* - Ponieważ zasadnicza część całkowitegoładunkujest zawarta w pierwszym udarze to uznaje się,żepodane wartości zawierająładunekwszystkich udarów krótkotrwałych,** -Ładunekcałkowity - sumaładunkukrótkotrwałego iładunkuskładowej długotrwałej prądu.A. SowaOchrona przed zagrożeniem piorunowym w strefach zagrożonych pożaremPrzebiegi 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 trwaniaTLna poziomie 10% wartości maksymalnej orazła-dunkiem całkowitymQL(rys. 3.).Rys. 3.Przebieg czasowy długotrwałej składowej prądu piorunowego [6]2A. SowaOchrona przed zagrożeniem piorunowym w strefach zagrożonych pożaremW przypadku klasycznej instalacji piorunochronnej przepływ prądów o przedstawionych kształtachmoże spowodować zarówno rozgrzanie przewodu, jak i wytopione z niego krople metalu.Określając kryteria opadania kropel wytopionego metalu z przewodu przyjęto [9, 10],żewystąpie-nie tego zjawiska wymaga ubytku połowy masy przewodu na długości równej jegośrednicy.Krytyczną wartośćładunkuwymaganą do wytopienia takiej ilości metalu określa równanie:Qw=π⋅r3Kegdzie: Ke–współczynnik erozji,r -promień przewodu.Uwzględniając, wartościładunkówprzenoszonych przez prąd piorunowy można określićśredniceprzewodów, w których na skutek erozji termicznej może wystąpić zagrożenie stwarzane przez opa-dające krople metalu. Przykładowe wyniki obliczeń dla przewodów stalowych, aluminiowych imiedzianych zestawiono w tabeli 2.Tabela 2.Krytyczne wartościładunkudla przewodów wykonanych z różnych materiałówŚrednicaprzewoduStal5 mm6 mm7 mm8 mm9 mm10 mm11 mm32,7256,6489,79134,04190,85261,79348,45ŁadunekQ (As)Miedz18,1131,2949,7074,19105,63144,90192,87Aluminium9,8216,9626,9340,2157,2578,53104,53Obliczone wartości należy porównać z wartościamiładunkuimpulsowego, jaki jest zalecany przytworzeniu urządzenia piorunochronnego zapewniającego wybrany poziom ochrony odgromowej. Wprzypadku wybrania I poziomu ochrony uniknięcie spadania kropel wytopionego metalu wymagazastosowania przewodów, dla których krytyczne wartościładunkusą większe od 100As (obszar za-cieniony na tabeli 2.).Wzrost temperatury przewodu o∆ϑpod wpływem przepływającego prądu piorunowego możnawyznaczyć z zależności [7, 10]:W⋅α⋅ρ1R∆ϑ=(exp2−1)αS⋅γ⋅cwgdzie :cw–ciepło właściwe (J⋅ kg-1⋅K-1),S2–przekrój przewodu (m2).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 3.3A. SowaOchrona przed zagrożeniem piorunowym w strefach zagrożonych pożaremTabela 3.Wartości współczynników występujących w równaniu określającym∆ϑWspółczynnikMateriałAluminium2 70090829 10-94,0 10-3658397⋅103Stal miękka7 700469120 10-96,5 10-31 530272 103Miedz8 92038517,8 10-93,92 10-31080209⋅103Stal nierdzewna8 1035000,7 10-90,8 10-31 500--γ(cw(kg)m3J)kg⋅Kρ(Ωm)α(1 /K)vs(C)Cs(J)kgWykorzystując przedstawione wartości można określić przyrost temperatury różnorodnych przewo-dów o różnychśrednicachprzy przepływie prądu piorunowego o kształcie 10/350µs i wartościachszczytowych uzależnionych od przyjętego poziomu ochrony odgromowej. Do oceny przyrostu tem-peratury przewodu, jaki nastąpi przy przepływie prądu piorunowego o wartościach uzależnionychod wybranego poziomu ochrony, można wykorzystać dane zestawione w tabeli 4.Tabela 4.Przyrost temperatury przewodów przy przepływie prądu piorunowego w zależności odichśrednicymateriału, z którego są wykonane oraz przyjętego poziomu ochrony odgro-mowej [7]przekrójwmm2410162550100AluminiumIII+IV*56414652123II**454132287I***2835212Stal miękkaIII+IV**1120211379II***9139620I****21137III+IV*169562251MiedzII*54214351123I**30998225Stal nierdzewnaIII+IV***94019045II****460100I****940190Przyjęty poziom ochrony* - wzrost temperatury powoduje eksplozję lub stopienie przewodu.Erozja termiczna blachyGłównym czynnikiem prowadzącym do wzrostu temperatury w miejscu stykowym jest energiazwiązana zładunkiemwyładowania i z przyelektrodowym spadkiem napięcia:W=Q⋅Uegdzie:Q–ładunekwyładowania [As],[J]Ue– przyelektrodowy spadek napięcia [V].Osiągnięcie temperatury stanowiącej próg topliwości metaluświadczyo zapoczątkowanej jego ero-zji. Temperatura topnienia jest różna dla różnych metali, zatem przepływ prądu wywołuje różne skutki4A. SowaOchrona przed zagrożeniem piorunowym w strefach zagrożonych pożaremw różnych metalach. Do obliczeń objętości metalu wytopionego przez przepływający prąd piorunowymożna wykorzystać zależność []:1V= ⋅γcw⋅(ϑs−ϑu)+csgdzie:W –energia [J],cw–ciepło właściwe [J/kg⋅K],ϑs–temperatura topnienia [°C],W[m3]γ–gęstość metalu [kg/m3].cs–ciepło topnienia [J/kg],ϑu–temperatura otoczenia [°C].Wartości poszczególnych współczynników dla wyżej wymienionych metali znajdują się w tab. 3.Przykładowe wyniki obliczeń objętości wytopionego metaluVwykonanych dlaQ= 100 As orazdla dwóch wartości przyelektrodowego spadku napięcia (dlaUe=13V i dlaUe= 30 V) zestawionow tabeli 5.Tabela 5.Wyniki obliczeń objętości wytopionego metalu przezładunekQ = 100 AsMetalUe[V]W[J]V[cm3]Aluminium1330133013301300300013003000130030000,491,140,170,400,240,56StalMiedźW prowadzonych obliczeniach przyjęto temperaturę otoczeniaϑurówną 20°C.Po wyznaczeniu objętości wytopionego metalu można wyznaczyć przybliżone wymiary otworów„wypalonych” w blachach o różnej grubości. Dla uproszczenia można przyjąć,żewypalony otwórma kształt walca (rys. 4.) i wykorzystać prosty wzór:V=π⋅r2⋅dd- grubość blachy,2r-średnica„wytopionego” otworu.d2rRys. 4.Wycinek blachy z wypalonym otworemPrzykładowe wartościśredniceotworów wytopionych w blachach o różnych grubościach i z róż-nych materiałów przedstawiono na rys. 5.5 [ Pobierz całość w formacie PDF ]

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

happyhour.opx.pl