Projekt ochrany čerpacej stanice pred bleskom a prepätím

ZČS tvoria zásobníky závlahovej vody, budova strojovne čerpacej stanice, rozvodne NN a VN, čerpadlá s armatúrami a potrubiami, zabezpečovací a kamerový systém a riadiaca miestnosť – dispečing so serverom a diaľkovým prístupom cez systém SCADA.

Modernizácia riadenia aj ochrany

Investor sa rozhodol pre nemalú investíciu pri rekonštrukcii vybavenia technologickej časti objektu (kompletná rekonštrukcia NN rozvodne a riadiaceho systému). Pre investora je tento objekt strategický, nakoľko zásobuje závlahovou vodou niekoľko poľnohospodárskych polí v blízkom okolí a pri výpadku objektu, resp. strate dodávky závlahovej vody, by boli následné škody obrovské nielen po finančnej stránke, ale aj po stránke výpadku poľnohospodárskych komodít na trhu.

Na objekte bola inštalovaná ochrana pred bleskom z čias výstavby samotného objektu. Vplyvom času, ale aj rekonštrukcie objektu bol tento systém ochrany pred bleskom nevyhovujúci. Investor si plne uvedomuje dôležitosť objektu a jeho možný výpadok (či poruchu systémov) pri zásahu blesku a na základe toho ma oslovil s požiadavkou na návrh ochrany pred bleskom a prepätím pre uvedený objekt.

Postup spracovania projektu ochrany pred bleskom a prepätím

Pri prvotnej obhliadke objektu sa zhodnotil stav existujúcej bleskozvodnej sústavy vrátane uzemňovacej sústavy. Už z prvého pohľadu bolo jasné, že stav existujúceho bleskozvodu je nevyhovujúci a neposkytuje dostatočnú ochranu pred priamym zásahom blesku do objektu (existujúce zachytávače na objekte strojovne boli osadené v strede objektu a nepokrývali prevažnú časť objektu, hlavne rohy objektu). Na zásobníkoch závlahovej vody sa nachádzajú elektrické zariadenia (senzory snímajúce stav hladiny vody v zásobníkoch, tlakové senzory a pod.) a na jednej z nádrží je ku konštrukcii lávky primontovaná anténa na bezdrôtový prenos – riadenie ZČS. Stav uzemňovacej sústavy bol zhodnotený ako nevyhovujúci, nakoľko existujúce vývody z uzemňovacej sústavy boli poškodené koróziou a nevyhovovali požiadavkám normy – nebol už vyhovujúci prierez materiálu.

Po obhliadke sa s investorom dohodol rozsah návrhu ochrany pred bleskom a prepätím: riešenie zachytávacej sústavy, sústavy zvodov, návrh novej uzemňovacej sústavy a návrh vyrovnania potenciálov v stupni dokumentácie pre realizáciu.

Začal sa proces hľadania existujúcej dokumentácie objektu (stavebnej, technologickej, elektro a pod.). V archíve spoločnosti Agromačaj, a. s., sme našli len malú časť neúplných projektových dokumentácií spracovaných v rozmedzí rokov 1985 až 2015. Existujúce podklady boli prekreslené do AutoCadu v trojosom systéme X, Y, Z (3D). Všetky časti objektu, ktoré boli rozdielne oproti dokumentácii, boli na objekte domerané a dokreslené, aby vznikol 3D model objektu ako podklad na spracovanie návrhu systému ochrany pred bleskom. A prečo 3D model? Minimálne z dôvodu návrhu zachytávacej sústavy a posúdenia ochranného priestoru zachytávacej sústavy v zmysle normy STN EN 62305-3 – metóda valivej gule. Nehovoriac o výhodách spracovania projektu v 3D – možnosť zobraziť a exportovať akýkoľvek detail riešenia či pohľadu. Tiež tak možno kontrolovať kolízie vedení LPS s konštrukciami a pod. Podľa môjho názoru je proces návrhu 3D projektu LPS akoby samotná realizácia LPS, nakoľko každá svorka, podpera a vedenie LSP je projektované chronologicky a už pri návrhu existuje možnosť zmeny prvkov a riešenia. Jedine takéto podrobné a detailné 3D projektovanie dokáže dať ako výsledok projekt, ktorý je realizovateľný bez komplikácií na stavbe.

Návrh riešenia

Ako prvá bola spracovaná analýza rizika v zmysle STN EN 62305-2 pomocou SW DEHN Support Toolbox – Distance Tool od spoločnosti DEHN SE + Co KG, kde sa posúdili riziká R1 – riziko straty ľudského života a R4 – riziko straty ekonomickej hodnoty. Na výpočet bolo potrebné získať dosť veľa údajov od investora o samotnej stavbe, ale aj o spôsobe prevádzky (napríklad počet zamestnancov v prevádzke, ich pracovný čas a pod.).

Na základe spracovanej analýzy rizika – pri posúdení rizika R1 – ľudské životy bolo zhodnotené, že netreba vykonávať žiadne opatrenia na zníženie rizika ohrozenia života. Tento výsledok bol ovplyvnený faktorom počtu osôb v objekte vzhľadom na čas, ktorý sa tam zdržiavajú. Objekt je však z hľadiska dôležitosti stálej prevádzky, bez možných výpadkov v prípade zásahu bleskom a vzniku atmosférických prepätí pre investora strategický, a preto bol aj napriek výsledku analýzy rizika po dohode s investorom na objekte navrhovaný systém ochrany pred bleskom a prepätím na úrovni LPL II s predpokladaným maximálnym bleskovým prúdom 150 kA.

Z analýzy rizika vyplynuli tieto ochranné opatrenia:

• systém ochrany pred bleskom LPS – LPS triedy II,
• pospájanie proti blesku – pospájanie a použitie SPD pre LPL II,
• koordinovaná ochrana SPD – použitie SPD pre LPL II na prívodné vedenie NN prípojky,
• koordinovaná ochrana SPD – použitie SPD pre anténu osadenú na stožiari LAN PoE vedenie.

Návrh zachytávacej sústavy

Veľkosť ochranného priestoru zachytávacej sústavy závisí od určenej triedy LPS. Podľa tab. 4 článku 8.2 normy STN EN 62305-1: 2012 sa pre triedu LPS II uvažuje s minimálnym vrcholovým prúdom prvého impulzu I_{min_1._LPSII} = 5 kA. Tomuto prúdu zodpovedá polomer valivej gule r_LPSII = 30 m.

Dôležité je upozorniť na fakt, že pri návrhu zachytávacej sústavy s uvažovaním I_{min_1._LPSII} = 5 kA nebude zabezpečené 100 % zachytenie všetkých bleskových výbojov, keďže v tab. 5 článku 8.2 normy STN EN 62305-1: 2012 sa pre triedu LPL II uvažuje s 97 % pravdepodobnosťou výskytu vrcholových prúdov prvého impulzu väčších ako 5 kA. Zvyšné 3 % minimálnych vrcholových prúdov prvého impulzu môžu nadobúdať menšie hodnoty ako I_{min_1._LPSII} = 5 kA, a teda aj polomer valivej gule bude menší ako r_LPSII = 30 m, z čoho vyplýva, že tento výboj môže preniknúť do ochranného priestoru zachytávacej sústavy. Avšak na základe manažmentu rizík a na základe dohody s investorom na triede LPS II sa vypočítalo, že aby sa znížilo riziko straty ľudského života pre tento konkrétny objekt, stačí okrem iných ochranných opatrení vyplývajúcich z analýzy rizík použiť systém ochrany pred bleskom LPS II na úrovni ochrany pred bleskom LPL II. Návrh zachytávacej sústavy pre úroveň ochrany pred bleskom LPL II bude spĺňať minimálne požiadavky na systém ochrany pred bleskom, definované súčasne platnými európskymi normami v Slovenskej republike, ktoré odzrkadľujú súčasný technický stupeň vývoja v tejto problematike.

Projektovaná zachytávacia sústava a sústava zvodov bola oddialená – izolovaná od všetkých cudzích vodivých častí nachádzajúcich sa na streche a tesne pod strechou z vnútornej strany objektu. Oddialenie bolo realizované dodržaním dostatočnej vzdušnej vzdialenosti vedenia bleskozvodu od všetkých cudzích vodivých častí. K tomuto riešeniu sa muselo pristúpiť preto, aby sa zamedzilo nekontrolovanému vniknutiu časti prúdu bleskového impulzu do objektu, kde by tento prúd mohol spôsobiť zásah elektrickým prúdom osôb nachádzajúcich sa v objekte alebo materiálne škody.

Zachytávacia sústava objektu bola vytvorená podľa článku 5.2.1 normy STN EN 62305-3: 2012 zachytávačmi Z1 až Z14 osadenými na podperných rúrkach pre vodiče s vysokonapäťovou izoláciou HVI. Pri navrhovaní zachytávacej sústavy sa podľa článku 5.2.2 normy STN EN 62305-3: 2012 použila metóda valivej gule s polomerom gule pre triedu LPS II r_LPSII = 30 m. Celkový ochranný priestor vytvorený zachytávacou sústavou je zobrazený na obr. 2. Z tohto obrázka vyplýva, že celý objekt sa bude nachádzať v ochrannom priestore zachytávacej sústavy. Tým sa splní požiadavka článku E.5.2.2.2 normy STN EN 62305-3: 2012, ktorá hovorí o tom, že pri použití metódy valivej gule sa táto guľa má dotýkať iba zeme a/alebo zachytávacej sústavy. V žiadnom prípade sa nesmie dotýkať žiadnej časti objektu.

Pri návrhu zachytávacej sústavy bola zohľadnená aj požiadavka na veternú odolnosť zachytávačov. Pavlice sú podľa mapy fundamentálnych hodnôt rýchlosti vetra pre SR do nadmorskej výšky 700 m. n. m. definovanej v prílohe A normy ATN 005: 2017 zaradené do veternej oblasti ZÓNA 1. Pre túto zónu sa podľa tab. A.1 normy ATN 005: 2017 uvažuje so základnou rýchlosťou vetra v_{b_0} = 26 m/s. Pre lokalitu chráneného objektu je charakteristická kategória terénu II (polia, pasienky s domami a stromami, poľnohospodárske územia, voľná krajina). Na základe týchto vstupov je podľa tab. A.2 normy ATN 005: 2017 určená maximálna rýchlosť vetra vo výške 20 m 144 km/h.

Návrh zvodov

Počet zvodov závisí od obvodu objektu a od určenej triedy LPS. Podľa tab. 4 článku 5.3.3 normy STN 62305-3: 2012 majú byť zvody pre triedu LPS II prednostne rozmiestnené každých a_{LPS_II} = 10 m. Celkový obvod objektu (ako celku) je O_objekt = 195 m. Minimálny počet zvodov nmin sa vypočítal takto:

n_min = O_objekt/a_(LPS_II) = 195/10 = 19,5

Z uvedeného vyplýva, že minimálny potrebný počet zvodov pre uvažovaný objekt je 20. Z povahy objektu a navrhovaného riešenia zachytávacej sústavy sa nedodržal vypočítaný minimálny počet zvodov 20, ale len 14 (počet zachytávačov a každý so samostatným zvodom).

Navrhované zachytávače a zvody bezpečne zvedú max. vrcholový bleskový prúd pre triedu LPS II 150 kA a celý objekt je v ochrannom priestore všetkých zachytávačov. Vedenia od zachytávačov boli vyhotovené pomocou vodičov s vysokonapäťovou izoláciou HVI, ktoré sú vedené od zachytávača smerom k zemi v podperách vedenia pre HVI.

Uzemňovacia sústava

Navrhovaná uzemňovacia sústava plní rôzne účely:

• uzemňovacia sústava v zmysle STN EN 50522: 2011,
• ochranu pred zásahom elektrickým prúdom v zmysle STN 33 2000-4-41: 2007,
• ochranu pred bleskom v zmysle súboru noriem STN EN 62305.

Na základe účelu uzemňovacej sústavy musí táto sústava spĺňať tieto požiadavky:

• odpor uzemnenia uzemňovača R ≤ 10 Ω (článok 5.4.1 normy STN EN 62305-3: 2012),
• najmenšia dĺžka každého uzemňovača zvodu pri usporiadaní typu A (článok 5.4.2.1 normy STN EN 62305-3: 2012):

– vodorovný uzemňovač v LPL II – l₁ = 5 m,

– zvislý/šikmý uzemňovač v LPL II – l₁ = 2,5 m,

— najmenší polomer plochy uzemňovača zvodov pri usporiadaní typu B (pozri článok 5.4.2.2 normy STN EN 62305-3: 2012):

– obvodový/základový uzemňovač v LPL II – r_e ≥ 20,4 m:

— pre chránený objekt sa vyhotoví obvodový uzemňovač v usporiadaní typu B v kombinácii s tyčami,

— celkový odpor uzemnenia uzemňovača trafostanice v zmysle STN 33 2000-4-41 musí byť menší ako R_B = 2 Ω,

— dovolené dotykové napätie.

Na základe informácie o prevádzke siete VN 22 kV bol vypočítaný odpor uzemnenia uzemňovača vzhľadom na dovolené dotykové napätie s hodnotou 2,11 Ω.

Rezistivita pôdy bola meraná štvorvodičovou Wennerovou metódou. Meranie sa uskutočnilo na dvoch miestach zatrávneného povrchu vedľa chráneného objektu. Na meranie bol použitý prístroj PU430 s triedou presnosti 2,5 spoločnosti METRA BLANSKO so závodom v Brne. Rezistivita pôdy ρ₁ bola vypočítaná z nameranej hodnoty odporu R₁ takto:

Vzhľadom na kolísanie rezistivity pôdy počas roka do hĺbky 3 m sa v zmysle článku ND 1.3 normy STN 33 2000-5-54: 2012 uvažuje s koeficientom k = 1,63. Výsledná rezistivita ρ₂, ktorá zohľadňuje tento vplyv, bola vypočítaná takto:

Pri ďalších výpočtoch sme uvažovali s rezistivitou pôdy v okolí objektu ρ = 125 Ω·m.

Celková dĺžka obvodového uzemňovača je l = 290 m. Po prevedení nepravidelného tvaru obvodového uzemňovača na kruhový tvar sa priemer kruhu vypočítal takto:

Výsledný odpor uzemnenia uzemňovača uloženého v hĺbke z = 0,7 m sa v zmysle tab. NB.1 normy STN 33 2000-5-54: 2012 vypočítal takto (použil sa exaktný vzorec pre druh uzemňovača – pásový alebo drôtový vodič v kruhu):

Po obvode uzemňovacej sústavy sa v rovnomernej vzdialenosti (minimálna vzdialenosť medzi tyčami bude 5 m) doplnilo 20 tyčí FeZn ∅ 20 s dĺžkou 2,5 m:

Celkový odpor uzemnenia uzemňovača (kombinácia – tyč a kruh) sa vypočítal takto:

Z výpočtu vyplýva, že hodnota celkového vypočítaného odporu uzemňovača je 1,94 Ω. Táto hodnota je nižšia ako maximálna hodnota odporu uzemnenia uzemňovača 2 Ω požadovaná súborom noriem STN. Tiež možno tvrdiť, že uzemňovač bude spĺňať požiadavky na dovolené dotykové napätie.

Obvodový uzemňovač bol navrhovaný v usporiadaní typu B z pásoviny FeZn 30 x 4. K pásovému vodiču FeZn 30 x 4 sa pomocou pripojovacích svoriek V4A pripojili hĺbkové uzemňovače typu Z z FeZn s ∅ 20 mm. Hĺbkový uzemňovač bude mať celkovú dĺžku 2,5 m. Bude zložený z jednej tyče s dĺžkou 1 m a z jednej tyče s dĺžkou 1,5 m; vrchol tyče bude v nezamŕzajúcej hĺbke min. 0,5 m.

V okolí objektu NN rozvodne (z časti), VN rozvodne a trafo kobiek sa uložila zdvojená pásovina 2 x FeZn 30 x 4 na stojato, ktorá sa spojila krížovou svorkou FeZn každý meter. Zdvojenie pásoviny sa realizovalo z dôvodu vyhotovenia uzemňovača na uzemnenie uzla transformátora a uzemňovača vo VN sieti – oteplenie a skratový prúd tečúci do uzemňovača.

Dostatočná vzdialenosť

Výpočet dostatočnej vzdialenosti bol realizovaný v programe DEHN Support Toolbox – Distance Tool a pomocou výpočtu zadefinovaného v STN EN 62305:

s = k_i x k_c/k_m x l

k_i 0,06 (LPS II, 150 kA), K_c 1 (1 zvod)

Príklad pre jeden zachytávač so zvodom (tab. 1).

Tab. 1 Príklad pre jeden zachytávač so zvodom

Vyrovnanie potenciálov a ochrana pred prepätím

Základným kritériom výberu zvodičov bleskových prúdov typu T1 je trieda ochrany pred bleskom LPS. Podľa tab. 4 článku 8.2 normy STN EN 62305-1: 2012 sa pre triedu LPS II uvažuje s maximálnym vrcholovým prúdom prvého impulzu I_{max_1._LPSII} = 150 kA. Z toho vyplýva, že pri predpokladanom rovnomernom rozdelení prúdu tečúceho do zeme a do elektrickej siete sa musia zvodiče bleskových prúdov typu T1 dimenzovať na súhrnný vrcholový prúd prvého impulzu I_{max_1._LPSII_50 %} = 75 kA.

Dôležité je upozorniť na fakt, že pri návrhu zvodičov bleskových prúdov typu T1 s uvažovaním súhrnným vrcholovým prúdom prvého impulzu I_{max_1._LPSII_50 %} = 75 kA nemusia tieto zvodiče vydržať prechod všetkých vrcholových prúdov, ktoré cez ne môžu pretiecť, keďže norma STN EN 62305-1: 2012 v tab. 5 článku 8.2 uvažuje pre triedu LPL II s 98 % pravdepodobnosťou výskytu vrcholových prúdov prvého impulzu menších ako 150 kA. Zvyšné 2 % maximálnych vrcholových prúdov prvého impulzu môžu nadobúdať väčšie hodnoty ako I_{max_1._LPSII} = 150 kA.

Na vyrovnanie potenciálov sa na projektovaný uzemňovač pripojili tieto zariadenia:

• uzemnenie na VN strane,
• uzemnenie na NN strane,
• sieť vyrovnania potenciálov,
• svorka PA vodiča HVI,
• oceľové zásobníky – nádrže.

Na vstupe elektrických káblov do objektu sa potenciál vyrovná pomocou osadených zvodičov bleskových prúdov typu T1 takto:

• silnoprúdová NN elektrická prípojka:

• v RM1-RO osadený ventil DEHN,
• v RM1 osadený ventil DEHN,

• rozvádzač DT01, DT02:

• v rozvádzačoch sú osadené ochrany – skoordinované zvodiče prepätia typu I a II BLITZDUCTOR,

• slaboprúdové vedenie:

• v rozvádzačoch MaR sú osadené ochrany – skoordinované zvodiče prepätia typu I a II BLITZDUCTOR,
• v rozvádzačoch sú osadené existujúce ochrany – zvodiče prepätia DEHNpatch,
• pri anténe na stožiari je osadený zvodič DEHNpatch DPA CLE IP66.

Záver

Pri návrhu ochrany pred bleskom a prepätím boli použité komponenty spoločnosti DEHN + SE Co KG. Z môjho pohľadu projektanta DEHN poskytuje najvyššiu kvalitu a najširšie spektrum komponentov na návrh ochrany pred bleskom a prepätím.

Pri samotnej realizácii ma ako autora projektu kontaktoval realizátor LPS len raz. Jeho slová boli: „Ďakujeme za stavebnicu LEGO.“ Neskôr mi to objasnil. Na základe detailnej 3D projektovej dokumentácie a presného výkazu materiálu sa daná stavba LPS realizovala ako skladačka pripomínajúca LEGO – 3D návod na montáž bez možnosti realizácie iných návrhov technického riešenia samotným realizátorom. Samotné ďalšie kontroly a revízie LPS budú bezproblémové vďaka jednoduchému, ale funkčnému a účinnému riešeniu LPS.

Technická životnosť navrhovaného LPS bude určite do ďalšej modernizácie objektu, nakoľko sú použité prvky a komponenty z nehrdzavejúcej ocele, ktorých životnosť je oproti komponentom z FeZn oveľa dlhšia. Pri spracovaní akýchkoľvek dokumentácií v ochrane pred bleskom odporúčam, aby dokumentácie spracovávali projektanti, ktorí danej problematike rozumejú podrobne, a aby LPS nevnímali ako kus drôtu na streche. Je to taký istý elektrický obvod ako akýkoľvek iný. Vodičom LPS tiež tečie prúd s parametrami, ktoré sú zadefinované v STN EN 62305-1.

Ing. Rudolf Štober
ELIN
elin@elin.sk