Barion Pixel

Villanyszerelők Lapja

A „villámszámlálásról„

2005/9. lapszám | netadmin |  4593 |

Figylem! Ez a cikk 20 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

A "villámszámlálásról" A villámvédelem a villanyszerelők és a laikusok számára egyaránt érdekes, kissé talán egzotikus területnek számít. Annak ellenére, hogy a szabványok, illetve rendeletek pontosan szabályozzák, mégis sok esetben vita tárg...

A "villámszámlálásról"

A villámvédelem a villanyszerelők és a laikusok számára egyaránt érdekes, kissé talán egzotikus területnek számít. Annak ellenére, hogy a szabványok, illetve rendeletek pontosan szabályozzák, mégis sok esetben vita tárgya a villámhárító berendezés szükségessége, kialakítása. Még nehezebb a szorosan hozzá kapcsolódó túlfeszültség-védelem megoldásai, készülékei között eligazodni. E készülékek telepítése után sokszor felmerül a kérdés: hányszor képesek működni, s van-e mód a levezetéseket vagy a rendszert ért villámcsapásokat számolni. Erre a kérdésre próbál feleletet adni e rövid cikk.

Akár a túlfeszültség-védelem, akár a villámvédelem gyakorlati kérdéseit nézzük, nem kerülhető meg, hogy a villámmal, illetve a villám villamos jellemzőivel foglalkozzunk. Mivel a villám keletkezéséről, belső fizikai folyamatairól számos szakcikk és könyv ad részletes leírást, itt csak a továbbiakban szereppel bíró részletekről adunk információt. A következő bekezdések olvasásakor nem szabad szem elől téveszteni, hogy a felsorolt paraméterek jellegzetes értékei térben és időben nagymértékben eltérőek lehetnek. Például Finnországban a zivataros napok száma kevesebb, mint egy tizede a magyar értéknek, s ebből és a meteorológiai körülményekből adódóan a villámok száma, nagysága is jóval kisebb!

A villám villamos jellemzői
A megfigyelések és mérések szerint a villám egy olyan áramimpulzusként fogható fel, melynek rendkívül gyors a felfutása s viszonylag lomha a lecsengése. Ezt az impulzust a következő adatokkal írhatjuk le.
Csúcsérték
Az egyik legfontosabb villámjellemző, értékét általában kA-ben adják meg. A mérések szerint néhány kA-től a néhány száz kA-ig terjed a skála: átlagértékük 20-40 kA körül alakul (polaritásfüggő). A hazánkban mért legnagyobb villámáram elérte a 600 kA-t. Meg kell jegyezni, hogy a villámok mintegy 90%-nak kisebb a csúcsértéke a 100 kA-nél.
Homlokidő
Fontos szerepe van a következményeket tekintve a homlokidőnek is: minél gyorsabb a felfutás, annál kellemetlenebb lesz a helyzet a túlfeszültség-védelem szemszögéből. A tapasztalatok szerint a homlokidő néhány tized ms (mikrosekundum) és 20 ms között van, az átlagérték kb. 6 ms.
Szokás a csúcsértéket és a homlokidőt egyetlen mennyiségben kifejezni, a homlokmeredekségben: ami a két említett paraméter hányadosa, mértékegysége a kA/ms. (Ez a jellemző már közvetlen kapcsolatot ad az induktív úton becsatolt túlfeszültség becsléséhez.)
Bár a hazai adatok néhány száz kA/ms-os maximumot említenek, a villámok mintegy 90%-ánál a meredekség kisebb, mint ~50 kA/ms.
Töltés
A villámáram nem más, mint a felhő-felhő vagy felhő-föld közötti töltésmozgás. A legkisebb villámok töltése a 0,1 As (másként szólva : Coulomb), az idehaza mért legnagyobb értékek 30-40 As táján járt: az átlagérték durván 0,5 C. A villámok 90%-ánál a töltés nem haladja meg a 3-4 C értéket.
Áramnégyzet
Ha kiszámoljuk az adott időfüggvénnyel bíró villámáram-impulzus i2t [kA2ms] értékét (ez egy integrálási művelettel elvégezhető), a villám energia-tartalmával arányos számértéket kapunk. Ennek átlagértéke 0,02 kA2ms, maximuma pedig ~10 kA2ms. (Itt is igaz, hogy a villámok többsége - 90%-a - viszonylag "kicsi", a szóban forgó paraméter kisebb, mint 0,1!)
Ezek azok a villámparaméterek, amelyek egyfelől érdeklődésre tarthatnak számot tudományos vagy gyakorlati szempontból, s amelyek alapján működik a villámszámlálók egy része. (Az adatok az 1999-es évre vonatkoznak [1].)
Meg kell azonban említenünk, hogy a villámáram-impulzus - mint adóantenna - elektromágneses hullámot bocsát ki, melynek frekvencia-tartománya durván 0,1 MHz és 1000 MHz között van. (Erről mindenki meggyőződhet, ha zivataros időben rádiózik.) Ez a jelenség teremtette meg az alapot a villámfigyelő berendezések fejlesztéséhez.
A villámfigyelés története: a villámjelzők
Mint oly sokszor a villamosság történetében Magyarország, a magyar tudósok itt is vagy megelőzték kortársaikat vagy fej-fej mellett haladtak az úttörőkkel. Érdemes megemlékezni röviden e készülékekről, melyek részletesebb leírása is hozzáférhető az érdeklődőknek.[2]
Kalocsa
Fényi Gyula jezsuita szerzetes tanár a kalocsai Haynald Obszervatóriumban csillagászattal és meteorológiai kutatásokkal foglalkozott. Asszisztensével 1900-ban készítik az első működő villámjelzőt, melyet egy év múlva követ tökéletesített változata. Az eszköz lelkét az ún. kohérer alkotta, amely az antennáról odavezetett feszültség hatására, vezetővé válva egy segédáramkört működtetett. Eleinte egy csengő jelzett a villám észlelésekor, az 1902-ben továbbfejlesztett változatnál már egy hengerfelületre rajzolt csavarvonalon jelentek meg a villám jelei. A készülék egy-egy példánya eljutott többek között Nürnbergbe és Lissabonba, sőt Manilába is!
Pannonhalma
A Pannonhalmi Apátság tudós bencés szerzetes tanára, Palatin Gergely a századforduló előtti években már foglalkozott a kohérerrel, s vélhetően Fényi és a szintén e területen is dolgozó Szalay László írásai inspirálták. 1901-ben egyedi kialakítású kohérerrel (kötőtűből készült!), villanycsengővel ellátott villámjelzőt helyezett üzembe. Egy év múlva már papírkorongra készített regisztrátumokat továbbfejlesztett készülékével: a spirális alapvonalon tüskék jelezték a villámokat. A készülék érzékenységét fokozva sikerült az észlelési távolságot kb. 40 km-re növelni.
Szombathely
Az Asztrofizikai Obszervatórium alapítója és vezetője, Gothard Jenő, akinek csillagászati tevékenysége meghatározó, egy olasz villámjelző alapján készítette el saját készülékét, melynek kohérere üvegcsőbe zárt apró facsavarokból állt. Sajnos a halála után a Premontrei Szent Norbert Gimnáziumba került iratai, feljegyzései a rend 1948-as erőszakos felszámolásakor elkallódtak, megsemmisültek. A berendezés egy példánya azonban ma is megtekinthető.
A három villámjelzőt kifejlesztő kutató mellett meg kell említeni az 1866-ban született Szalay Lászlót is, aki 1899-től a Meteorológiai és Földmágnesességi Intézetben tevékenykedett, ahol elsősorban légkörfizikával, a zivatar jelenségekkel foglalkozott, s már 1900-ban megjelentette az előző évtized villámcsapásairól gyűjtött adatokat!
A XX. század derekán ismét előtérbe kerül - ha kissé más módon is - a kérdés. A Budapesti Műszaki Egyetemen vitéz Verebély László professzor az egyes - közeli - villámcsapások vizsgálatára üvegcsőben levő, a levezető közelében elhelyezett vashuzal-kötegek segítségével gyűjt információkat a villámáramokról.
Mennyi - de miért is?!
Az első villámjelzők általában a meteorológiai kutatások, a légkörfizikai folyamatok tisztázását segítették megfigyeléseikkel. Később hasznos kiinduló adatokat szolgáltattak a villámvédelem, mint résztudomány fejlődéséhez. Ma két különböző célú és eszköztárú területe alakult ki a villámáram megfigyelésnek.
Területfigyelés
A viszonylag nagy észlelési teret figyelő rendszerek a klasszikus villámfizikai obszervatóriumok mellett ugyan tudományosan is hasznosak, de igazi apropójuk a rakétatechnika és az űrhajózás biztonságának fokozása. Ezek a villámfigyelő rendszerek ugyanis akár százezer négyzetkilométernyi terület légterét megfigyelve képesek korai stádiumban észlelni a zivatarcellákat s nyomon követni azok mozgását. Ezzel elkerülhetővé válik az éppen elindított rakéta vagy űrhajó villám okozta sérülése, esetleg katasztrófája, s mellesleg állandóan frissülő villámstatisztikai adatokkal látja el a terület szakembereit.
Hazánkban az első villámstatisztika a már említett Szalay László nevéhez fűződött, aki 1905-ban már a következő címmel jelentetett meg könyvet: "Újabb adatok Magyarország villámcsapás statisztikájához". Természetesen 100 évvel Szalay után már megbízhatóbb adatok állnak rendelkezésünkre, melyben komoly szerepe van az 1999-ben üzembe helyezett SAFIR villámfigyelő rendszernek. A bonyolult antennarendszerrel felszerelt, egymással összeköttetésben álló 5 állomás összehangolt méréseinek eredményét számítógéppel feldolgozva a már említett villám paraméterek másodpercenként - real time üzemmód - meghatározhatók az ország teljes területén, 1-2 km pontossággal bemérve a becsapási pont koordinátáit is. A Meteorológiai Szolgálat által üzemeltetett rendszer által szolgáltatott gyors információkat, előrejelzéseket a légi közlekedéstől a villamosenergia-iparig vagy a mezőgazdaságig a gazdasági élet több szereplője használja.
A rendszer archivált adatait egy-egy üzemzavar keletkezésének kiderítésekor vagy biztosítási esemény (villámkár) elbírálásakor is jól lehet hasznosítani.
Objektum figyelés
A villamos rendszerek kiterjedésének növekedése, az egyre érzékenyebb elektronikus eszközök túlfeszültség elleni védelme sok esetben megkívánja, hogy legyenek adataink a rendszeren belüli védelmi működésekről, illetve az objektumot érő villámcsapásról.
Ennek megfelelően vagy a túlfeszültség-védelmi készülékek működését (levezetési áram) figyeljük valamilyen készülékkel, vagy a villámhárító berendezés levezetőin lefutó villámáram regisztrálására törekszünk.
Ilyenkor általában az a cél, hogy nyomon tudjuk követni a túlfeszültség-védelmi eszközök működési viszonyait, s ezáltal képet alkothassunk azok elhasználódásáról, illetve rögzítsük a rendszer tényleges igénybevételeit.

Időleges megfigyelés
Viszonylag ritkán kerül sor ilyen jellegű mérésre. A feszültség minőségellenőrzése során alkalmazott műszerpark részét képező gyors tranziens regisztrálók képesek a hálózat villám okozta túlfeszültségének, illetve a védőkészülékek levezetési áramának rögzítésére. A megfigyelés azonban a költséges eszközpark megfelelően időzített és előkészített telepítését igényli. Az általában szokásos mérési ciklus ideje egy hét, ha ezalatt nincs zivatar tevékenység, illetve nincs közeli villámcsapás, nem kapunk értékelhető adatokat.

Állandó megfigyelés
Lényegesen egyszerűbb a helyzet, ha lemondva az igényes eszközök nyújtotta pontosságról és adathalmazról, megelégszünk az igénybevételek számának rögzítésével, kiegészítve esetleg a kialakuló áramok nagyságának durva rögzítésével. (Általában a túlfeszültség-védelemmel foglalkozó gyártók kínálnak erre a célra valamilyen számláló eszközt.)
Jellemző adatok: megszólalási küszöbérték, üzemi feszültség.
Segédenergiával működő készülékek
Ezek a sok esetben túlfeszültség-levezetővel egybeépített készülékek vagy közvetlenül a hálózatról vagy külön áramforrásról (pl. elemről) vett segédenergiával működtetik a beépített elektronikus vagy mechanikus számlálójukat, mely 2 vagy 3 digites kivitelű.
A piacon lényegében három típusú készülék kapható:
· B vagy C osztályú túlfeszültség-levezető készülék mellé szerelhető eszköz, melyen (megbontva) át kell vezetni a túlfeszültség-levezető PE vezetőjét és meg kell táplálni 230 V-al. Érzékelési küszöb ~10 A.
· Modulméretű eszköz C vagy D osztályú túlfeszültség-levezető készülék mellé sorolva, hálózati táplálással, 20 A-es áramküszöbbel.
· Elemes vagy hálózati táplálású számláló klipszes mini lakatfogó érzékelővel, melyet tetszőleges - akár a fázis, akár PE-vezetőre kell felhelyezni. Érzékelési küszöb 1 kA tájékán alakul, elsősorban B vagy C osztályú készülék mellé.
Segédenergia nélkül működő eszközök
Ezek az eszközök a regisztráláshoz, illetve a számláláshoz szükséges energiát az áramimpulzusból nyerik. Ebből adódik, hogy működési küszöbértékük viszonylag magas.
· A villámhárító levezetőjébe vagy a B osztályú készülék PE vezetőjébe sorosan illeszthető számláló készülék. Megszólalási küszöbérték 300 A, megengedett átfolyó áram 100 kA.
· A levezetési árammal átjárt vezetékre felcsatolható számláló, 300 A-es küszőbértékkel, megengedett átfolyó áram 100 kA.
· A levezetési árammal átjárt vezetékre (annak megbontása nélkül) felcsatolható mágneskártya, 300 A-es küszöbértékkel, a még rögzíthető maximális áram 120 kA. (A kártya kiolvasásához ebben az esetben külön mérőkészülék szükséges, melynek méréstartománya 3-120 kA).
Összefoglalás
A gyakorlati élet problémáit figyelembe véve elmondható, hogy a felsorolt, állandó megfigyelésre alkalmas készülékek alkalmazása minden esetben bizonyos kényelmetlenséggel jár: segédenergiát kell biztosítani, fel kell bontani a PE vezetéket, költséges az eszköz vagy ha nem, kiolvasó műszer szükséges a mért adat megtekintéséhez stb.
Alaposan meg kell fontolni, hogy érdemes-e ezeket a nehézségeket, illetve a készülék költségeit vállalni. Figyelembe véve a lakóépületekre jellemző körülményeket, a hazai villámsűrűséget és a túlfeszültség-védelmi készülékek várható élettartamát, elmondható, hogy a számláló készülékek lakossági környezetben történő felhasználása nem szükségszerű, sőt az esetek többségében nem is indokolt.
A nagy kiterjedésű ipari objektumokban azonban már más a helyzet: például az erőművekben, hírközlési létesítményekben, nagy villámsűrűségű területeken létesített ipartelepeken hasznos a fenti készülékek telepítése, elsősorban azoké, amelyek a detektált áramimpulzus csúcsértékét is rögzítik.
Fodor István

[1] Szonda -Wantuch: A SAFIR villámfigyelőrendszer által 1999-ben regisztrált adatok
[2] Dr. Horváth : 100 éves magyar villámjelzők