-
1
PROCJENA RIZIKA OD ŠTETNOG DJELOVANJA MUNJE U INDUSTRIJSKIM
ELEKTROENERGETSKIM POSTROJENJIMA TEMELJEM PODATAKA MJERENJA
GUSTOĆE ATMOSFERSKIH PRAŽNJENJA
SAŽETAK
Rad opisuje postupak procjene rizika od štetnog djelovanja
struje munje u industrijskim elektroenergetskim postrojenjima, koja
služe za napajanje električnih uređaja u prostorima ugroženim
eksplozivnom atmosferom,na realnom primjeru riječke rafinerije.
Dobiveni rezultati se uspoređuju obzirom na ulazne podatke broja
grmljavinskih dana prema Tehničkom propisu (NN 87/08 i 33/10) te s
obzirom na podatke koji su dobiveni mjerenjem gustoće atmosferskih
pražnjenja sustavom SLAP (FER). Procjena rizika se izvodi za rizike
uslijed djelovanja struje munje, prema kriterijima: nepostojanje
sustava zaštite od munje (nadalje SZM) uvidom u izvedeno stanje
objekta, nepostojanje (i/ili značajnije odstupanje od) projektne
dokumentacije SZM te posebne važnosti objekta. Mjerenjem gustoće
atmosferskih pražnjenja dobivaju se povoljniji podaci broja
grmljavinskih dana kao bitnom ulaznom podatku u procjeni rizika
koji rezultiraju u jednostavnijoj instalaciji SZM u izvedbi niže
razine zaštite.
Ključne riječi: SZM, procjena rizika, mjerenje gustoće
atmosferskih pražnjenja
RISK ASSESSMENT OF LIGHTNING DAMAGE EFFECTS IN INDUSTRIAL
ELECTRICAL POWER FACILITIESBASED ONATMOSPHERIC DISCHARGES
DENSITY MEASUREMENTS DATA
SUMMARY
The paper describes risk assessment of lightning damage effects
in industrial electrical power facilities, which are used to
provide electrical supply for devices located within explosion
endangered areas, as shown on the real example of Rijeka refinery.
The results are compared taking into account the number of
atmospheric discharges according the Technical regulation (OG 87/08
and 33/10), as well as atmospheric discharges density measurements
data given by SLAP (FER). Risk assessment of lightning damage
effects is performed based on the following criteria: absence of
lightning protection systems (LPS) which is determined by examining
the state of the structure, absence (and/or significant deviation)
of LPS project documentation a well as the importance of the
structure. More convenient data about number of thunderstorm days
are obtained by measuring the density of atmospheric discharges as
essential input data in the risk assessment with the result of
simpler installation of LPS and lower level of protection.
Key words: LPS, risk assessment, atmospheric discharges density
measurement
Mr.sc. Josip KARNELUTI, dipl.ing.el. 5E d.o.o. Rijeka, Hrvatska
[email protected]
Prof.dr.sc. Ivo UGLEŠIĆ, dipl.ing.el. FER - Fakultet
elektrotehnike i računarstva Zagreb [email protected] Kristian
VIDMAR, mag.ing.el.
5E d.o.o. Rijeka, Hrvatska [email protected]
Bojan FRANC, dipl.ing.rač. FER - Fakultet elektrotehnike i
računarstva Zagreb [email protected]
SO1-13 4. (10.) savjetovanje
Trogir/Seget Donji, 11. - 14. svibnja 2014.
HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNE
ELEKTRODISTRIBUCIJSKE KONFERENCIJE - HO CIRED
-
2
1. UVOD 1.1. Opće odredbe tehničkog propisa
Tehničkim propisom za sustave zaštite od djelovanja munje na
građevinama, (NN 87/08). te njegovom dopunom, odnosno Tehničkim
propisom o izmjenama i dopunama Tehničkog propisa za sustave
zaštite od djelovanja munje na građevinama, (NN 33/10), u okviru
ispunjavanja bitnih zahtjeva za građevinu propisuju se:
tehnička svojstva sustava za zaštitu od djelovanja munje na
građevinama,
zahtjevi za projektiranje,
zahtjevi za izvođenje radova,
zahtjevi za uporabljivost,
zahtjevi za održavanje i
drugi zahtjevi za proizvode sustava te njihova tehnička
svojstva.
Sustav nije potreban za građevine za koje je procjenom rizika
udara munje dokazano da je rizik manji od:
1: 100.000 za rizik gubitka ljudskih života i
1: 1.000 za ostale rizike.
Procjenu rizika nije potrebno provoditi za postojeće objekte
budući da to nije definirano važećim Tehničkim propisom. Naime,
važeći Tehnički popis definira nužnost provedbe procjene rizika
samo za nove građevine, točnije procjena rizika od štetnog
djelovanja struje munje sastavni je dio projektne
dokumentacije.
Za postojeće objekte procjena rizika se može provesti tamo gdje
se to pokaže nužno, odnosno prema predloženim kriterijima:
nepostojanje SZM (uvidom u izvedeno stanje
objekta-građevine);
nepostojanje (i/ili značajnije odstupanje od) projektne
dokumentacije SZM;
posebna važnost objekta (npr. postojanje eksplozijom ugroženih
prostora).
S obzirom na razinu zaštite od djelovanja munje, sustav može
biti:
razine zaštite I, s vjerojatnošću štete najviše 0.02,
razine zaštite II, s vjerojatnošću štete najviše 0.05,
razine zaštite III, s vjerojatnošću štete najviše 0.1,
razine zaštite IV, s vjerojatnošću štete najviše 0.2,
a odabrana razina zaštite od munje mora biti usklađena s
procijenjenim rizikom od djelovanja munje.
Analizom SZM na građevini utvrđuje se usklađenost pripadnog SZM
sa zahtjevima Propisa. Istom analizom utvrđuje se je li je potrebna
"dogradnja" (popravak) postojećeg SZM-a te zahtjevi na održavatelja
odnosno vremenski intervali između vizualnih pregleda te
ispitivanja i mjerenja sustava zaštite od munje u skladu s
Propisom. 1.2. Procjena rizika od štetnog djelovanja struje munje
Procjena rizika udara munje provodi se temeljem norme: HRN EN
62305-2:2007, Zaštita od munje, 2. dio: Upravljanje rizikom (IEC
62305-2: 2006; EN 62305-2: 2006).
Nakon provedenih proračuna dobiveni rezultati usporediti će se s
referentnim vrijednostima navedenim u Tehničkom propisu, tj.
utvrditi će se da li je proračunom dobiveni rizik manji od:
10-5
za rizik gubitka ljudskih života (R1) te
10-3
za rizik gubitka opskrbe ili usluge (R2) i rizik gubitka
gospodarskih vrijednosti (R4).
Postupak procjene rizika složen je postupak koji obuhvaća cijeli
niz parametara koji definiraju objekt kao cjelinu, ali i okruženje
objekta, a utječu na vjerojatnost nastanka štete uslijed udara
munje.
-
3
Neki od parametara procjene rizika su primjerice, okruženje
razmatrane građevine (visoki ili niski objekti, smještaj na
uzvišenju), gabaritne dimenzije građevine te primijenjeni
(postojeći) SZM. Kao jedan od bitnih parametara pri procjeni rizika
je broj osoba koji borave u građevini te duljina njihovog boravka u
građevini. Ukoliko postoji posebna opasnost do koje može doći
uslijed udara munje u građevinu (primjerice panika većeg broja
ljudi, onečišćenje okoliša ili eksplozija), potrebno ju je
razmotriti pri postupku procjene rizika.
Prosječni godišnji broj dana s grmljavinom je također jedan od
parametara, koji se očitava iz izokerauničke karte, prema Tehničkom
propisu [Lit.1.]. Nakon usporedbe dobivenih rezultata s referentnim
vrijednostima utvrdit će se zadovoljava li postojeće stanje SZM na
razmatranim objektima te će se, ukoliko to bude potrebno,
predložiti rješenje kojim će se rizici R1, R2 i R4 svesti u granice
definirane propisom. Predloženo rješenje temeljiti će se na
detaljnoj analizi pojedenih sastavnica rizika i to na način da će
se predloženim rješenjem najviše utjecati na sastavnicu rizika koja
je svojim iznosom najzastupljenija u ukupnom iznosu pojedinog
rizika.
Iz izokerauničke karte Republike Hrvatske dobiva se prosječni
godišnji broj dana s grmljavinom (Td) koji treba očekivati u
naznačenom području s 90% vjerojatnosti. Uvrsti li se ta brojka u
izraz za izračun gustoće udara munje [Lit.3. i Lit.4.]:
(1) ili pojednostavljeno:
(2) gdje je:
Ng – gustoća udara munje,
Td – prosječni godišnji broj dana s grmljavinom.
Dobiva se broj udara (Ng) koji predstavlja očekivani broj udara
munje po kvadratnom kilometru. Treba napomenuti da 90 postotna
vjerojatnost grmljavinskih dana znači da će u 90% slučajeva broj
dana s grmljavinom biti barem toliki ili veći. 2. ANALIZA GUSTOĆE
ATMOSFERSKIH PRAŽNJENJA 2.1. Sustav za lociranje atmosferskih
pražnjenja Krajem 2008. godine u Hrvatskoj je uspostavljen sustav
za lociranje atmosferskih pražnjenja (SLAP) zajedno sa senzorima iz
okolnih zemalja, prema slici 2. Na području Hrvatske instalirano je
šest senzora na sljedećim lokacijama: Žerjavinec kod Zagreba,
Melina kod Rijeke, Zadar, Split, Blato na otoku Korčula i Komolac
kod Dubrovnika. Podaci o atmosferskim pražnjenjima dostupni su od
početka 2009. godine. Slika 1. prikazuje broj registriranih
atmosferskih pražnjenja po mjesecima na predmetnom prostoru
Hrvatske i u okolici.
-
4
Slika 1. – Broj atmosferskih pražnjenja po mjesecima na
promatranom prostoru
Slika 2 . Senzori sustava za lociranje atmosferskih
pražnjenja
-
5
2.2. Analiza grmljavinskih aktivnosti za promatrano područje –
RNR Mlaka 2.2.1. Uvodno o analizi grmljavinskih aktivnosti za
promatrano područje
Promatrano područje je INA - Rafinerija nafte Rijeka, lokacija
Mlaka (grad Rijeka) prikazano na slici 3. Na unutarnji poligon koji
predstavlja područje rafinerije, u svrhu korelacije s udarima
munja, kreirana je alarmna zona polumjera 500 metara (vanjski
poligon), kako bi se kompenzirala greška lociranja udara munja od
strane SLAP-a. Za munje unutar definirane alarm zone smatra se da
mogu udariti u područje rafinerije. Površina promatranog poligona
je 0,532 km
2, a alarmne zone 2,836 km
2.
Slika 3. Promatrano područje rafinerije lokacija Mlaka i alarm
zona
2.2.2. Keraunička razina područja i određivanje gustoće udara
munja Na temelju podataka od 2009. do kraja 2012. godine (period od
četiri godine) kreirana je izokeraunička karta, prema Slici 4.
-
6
Slika 4. Izokeraunička karta promatranog područja (lokacije RNR
su označene žutim)
Promatrano područje nalazi se unutar područja izokerauničke
razine od 32 grmljavinska dana u godini. Pomoću navedene empirijske
relacije (1) dolazimo posredno do srednje gustoće udara munja od
3,044 udara po kvadratnom kilometru godišnje.
Za promatranu alarm zonu rafinerije površine 2,836 km2, dobivamo
srednju gustoću udara munja
unutar alarm zone od 8.633 udara/godišnje.
Valja istaknuti da je ovdje riječ o udarima munje, bez obzira na
njihovu višestrukost. Bilo da je riječ o jednostrukim atmosferskim
pražnjenjima ili višestrukim atmosferskim pražnjenjima unutar udara
munje, višestrukost udara munje se ne uzima u obzir te se uzima
podatak o jednom udaru munje unutar grmljavinskog dana. S druge
strane, kao što ćemo vidjeti u nastavku, SLAP bilježi pojedina
atmosferska pražnjenja unutar višestrukog udara munja što utječe na
proračun gustoće atmosferskih pražnjenja nad nekim područjem.
2.2.3. Određivanje gustoće udara munja izravno sustavom za
lociranje atmosferskih pražnjenja Korištenjem sustava za lociranje
atmosferskih pražnjenja moguće je detektirati pojedina atmosferska
pražnjenja na nekom području te neposredno odrediti gustoću udara
pomoću relacije:
(3)
gdje je:
Ng – gustoća udara munje,
N – broj detektiranih atmosferskih pražnjenja,
T – vrijeme u godinama,
A – površina promatranog područja u km2.
Neposrednim mjerenjem gustoće udara munja pomoću SLAP-a u
periodu od četiri godine (2009 -2012.), dolazimo do srednje gustoće
udara munja u zemlju (3) na području rafinerije od 6.516 udara po
kvadratnom kilometru godišnje, prema slici 5.
Ovdje treba istaknuti sposobnost SLAP-a da registrira pojedina
atmosferska pražnjenja unutar višestrukih udara munje, što utječe
na povećanje konačnog broja gustoće atmosferskih pražnjenja na
-
7
promatranom području. Uzimajući u obzir višestrukost udara,
srednja gustoća atmosferskih pražnjenja nad cjelokupnim područjem
rafinerije iznosi 18.479 udara godišnje. 2.2.4. Prostorna analiza
atmosferskih pražnjenja mikrolokacije rafinerije Analizirana su
atmosferska pražnjenja na području rafinerije u periodu od 2009. do
2012. godine (četiri godine).Visoko-rezolucijska karta gustoće
udara munja oblak - zemlja prikazana je na slici 6.
Svi registrirani udari munja u promatranom području i vremenskom
intervalu od četiri godine prikazane su na slici 7.
Ukupno je registrirano 133 atmosferskih pražnjenja od čega je 67
oblak-zemlja i 66 oblak-oblak, u periodu od četiri godine na
površini od 2,836 km
2. Prema tome, gustoća ukupnih atmosferskih pražnjenja
iznosi 11.724 [udara / km2god], a gustoća pražnjenja
oblak-zemlja 5,906 [udara / km
2god].
Slika 5. Karta gustoće udara munja prema SLAP-u
-
8
Slika 6. Visoko-rezolucijska karta gustoće udara
oblak-zemlja
Slika 6. Registrirani udari munja na promatranom području
-
9
Promatrano po mjesecima, većina grmljavinske aktivnosti (98,5%)
na području Rafinerije nafte
Rijeka – lokacija Mlaka odvija se između svibnja i listopada
(slika 7.), gotovo u pravilu u promatranom razdoblju.
Slika 7. Mjesečna analiza atmosferskih pražnjenja na području
rafinerije
Amplitudna distribucija atmosferskih pražnjenja amplitude struje
munja do 20 kA prikazana je na
slici 8, dok je kumulativna amplitudna distribucija atmosferskih
pražnjenja na području rafinerije prikazana na slici 9, pri čemu
zaključujemo da je amplituda struja najčešće ispod 20 kA, što je
vrijedan podatak za dimenzioniranje uređaja prenaponske
zaštite.
Slika 8. Amplitudna distribucija amplituda struja atmosferskih
pražnjenja
-
10
Slika 9. Kumulativna distribucija amplituda struja atmosferskih
pražnjenja 3. PROCJENA RIZIKA 3.1. Osnovni podaci uz procjenu
rizika
Iz izokerauničke karte Republike Hrvatske dobiven je prosječni
godišnji broj dana s grmljavinom koji treba očekivati u naznačenom
području prema iznesenom kriteriju vjerojatnosti, a koji za INA-RNR
– lokacija Mlaka prostora oko 25.000 m2 iznosi Td = 46. Uvrsti li
se ta brojka u izraz za izračun gustoće udara munje (2) dobiva se
iznos od 4.6 [udara / km2god].
Sukladno važećoj zakonskoj legislativi [Lit.1.] predmetna
vrijednost gustoće udara munje je
referentna te će se uzeti u obzir za proračun procjene rizika za
promatrani objekt GTS (Glavne transformatorske stanice,
industrijske distribucijske) u užem središnjem prostoru
rafinerije.
Zgrada Glavne transformatorske stanice se sastoji od prizemlja i
kata. Objekt ima ravan krov izveden s armirano betonskom pločom,
prekriven bitumenskom ljepenkom. Prostor transformatorskih komora
je natkriven nadstrešnicom iz profiliranog lima i niži je od
ostalog dijela objekta. Dimenzije objekta su cca 28 mx 10 m.
Relativna visina okolnog prostora na kojem je smješten objekt je 0
m, dok je visina najvišeg dijela krova predmetnog objekta cca 8 m.
Visina nadstrešnice iznad transformatora je cca 4,5 m. Prostori u i
oko objekta su određeni kao eksplozijski neodređeni prostori, te ne
postoji mogućnost pojave eksplozivne atmosfere. Objekt Glavne
trafostanice prikazan je na slici 10.
-
11
Slika 10. Glavna transformatorska stanica (GTS) u rafinerijskom
prostoru - lokacija RNR Mlaka
Unutar proračuna procjene rizika potrebno je izračunati sabirne
površine za pojedine objekte i vodove uz očekivani godišnji broj
opasnih događaja, tj. udara munje.
Na temelju izokerauničke karte prema sustavu SLAP dobivene
analizom rezultata mjerenja u
razdoblju od 4 godine (slika 3), na mikrolokaciji RNR – lokacija
Mlaka dobivena je izokeraunička razina od 32 grmljavinskih dana u
godini, Td = 32. Uvrsti li se ta brojka u izraz za izračun gustoće
udara munje (1) dobiva se iznos od 3.044 [udara / km2god]. 3.2.
Procjena rizika za GTS u rafineriji Nakon provedene procjene rizika
R1, R2 i R4 zbog štetnog djelovanja munje za GTS (Glavnu
transformatorsku stanicu u INA-Rafineriji nafte rijeka, lokacija
Mlaka) dobiveni su rezultati radi usporedbe za Td= 46 [x 10
-5] i Td= 32 [x 10
-5]), pregledno prikazani u tablici I.
-
12
Tablica I. Ukupni iznosi rizika za GTS
Oznaka rizika
OPIS RIZIKA Iznos dobiven
proračunom uz Td= 46[x 10
-5]
Iznos dobiven proračunom uz Td= 32[x 10
-5]
Najveći dozvoljeni iznos
[x 10-5
]
R1 Rizik gubitka ljudskih života uslijed djelovanja struje
munje
0,029 0,024 1
R2 Rizik gubitka opskrbe ili usluge uslijed djelovanja struje
munje
1,775 1,235 100
R4 Rizik gubitka gospodarskih vrijednosti uslijed djelovanja
struje munje
17,98 12,51 100
Budući da su dobiveni iznosi rizika R1, R2 i R4 ispod propisanih
vrijednosti, zaključuje se da objekt GTS zadovoljava zahtjeve
Tehničkog propisa bez obzira o ulaznim vrijednostima prosječnih
godišnji broj dana s grmljavinom (Td). Realni rezultati procjene
rizika u određenoj su mjeri povoljniji, međutim kao referentan
proračun procjene rizika izvodi se onaj sukladan zakonskoj
legislativi.
4. ZAKLJUČAK
Procjena rizika od štetnog djelovanja munje za objekt
elektroenergetskog distribucijskog industrijskog postrojenja
izvodila se za rizike uslijed djelovanja struje munje: gubitka
ljudskih života (R1), gubitka opskrbe ili usluge (R2) te gubitka
gospodarskih vrijednosti (R4) pri čemu su u primjeru prisutni
kriteriji: nepostojanje projektne dokumentacije SZM te posebna
važnost objekta u opskrbi tog industrijskog kompleksa.
Vrijednost gustoće udara munje (uz Td = 32 po kilometru
kvadratnom godišnje) s obzirom na izokerauničku kartu mikrolokacije
Mlaka dobivenu analizom iz sustava SLAP je preciznija i povoljnija
u odnosu na vrijednost gustoće udara munje (uz Td = 46), koja se
izračunava prema službenoj izokerauničkoj karti Republike Hrvatske
iz Tehničkog propisa. Amplitudna i kumulativna distribucija
pražnjenja utvrđuje podatak o jakosti struje munje, kao vrijedan
podatak koji može poslužiti pri dimenzioniranju (izboru) uređaja te
usklađenja prenaponske zaštite.
Prema navedenom, mjerenjem gustoće atmosferskih pražnjenja
moguće je dobiti povoljnije podatke broja grmljavinskih dana kao
važnom ulaznom podatku u procjeni rizika čime se može dati doprinos
u jednostavnijoj instalaciji vanjskog i unutarnjeg SZM, tj. u
izvedbi niže razine zaštite, vjerojatnosti smanjene opasnosti u
funkciji sigurnosti.
Temeljem višegodišnjih rezultata mjerenja u periodu od najmanje
10 godina, za vjerovati je da će se zakonom propisana izokeraunička
karta u budućnosti mijenjati i biti lokacijski određenija.
LITERATURA
[1] Tehnički propis za sustave zaštite od djelovanja munje na
građevinama, NN 87/08. i 33/10.
[2] HRN EN 62305-1:2007, Zaštita od munje, 1. dio: Opća načela
(IEC 62305-1: 2006; EN 62305-1: 2006)
[3] HRN EN 62305-2:2007, Zaštita od munje, 2. dio: Upravljanje
rizikom (IEC 62305-2: 2006; EN 62305-2: 2006)
[4] E.Mihalek, "Projektiranje sustava za zaštitu od munje",
Kigen, 2009.
[5] P. Hasse, J. Wiesinger, W. ZiscHank, "Priručnik za zaštitu
od munje i uzemljenje", Kigen, 2009.