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 josip.karneluti@5e-rijeka.hr

Prof.dr.sc. Ivo UGLEŠIĆ, dipl.ing.el. FER - Fakultet elektrotehnike i računarstva Zagreb ivo.uglesic@fer.hr Kristian VIDMAR, mag.ing.el.

5E d.o.o. Rijeka, Hrvatska kristian.vidmar@5e-rijeka.hr

Bojan FRANC, dipl.ing.rač. FER - Fakultet elektrotehnike i računarstva Zagreb bojan.franc@fer.hr

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.