Villanyszerelők Lapja

Villámvédelem

Villámvédelmi kockázatkezelés

2016. szeptember 5. | Kruppa Attila |  207 | |

Villámvédelmi kockázatkezelés

Cikkem első verziójában bevezetésként hosszasan elemeztem a villámvédelmi kockázatkezelés helyzetét. Mivel azonban sem szándékosan, sem akaratlanul nem akartam senkit megbántani, inkább az egészet elhagytam. Azért annyi kritika talán megengedhető, hogy − tapasztalatom szerint − az elkészült kockázatkezelések jelentős részében nagyon sok a formai és a tartalmi hiba. Ezekért a hibákért jobbára nem a tervezők tehetők felelőssé, akkor sem, ha a hibák ténylegesen az egyes tervezők munkáiban jelennek meg. A problémát sokkal inkább az okozza, hogy a kockázatkezelés lényegét, folyamatát nem sikerült a tervezőkkel megismertetni. Éppen ezért a következő néhány cikkben kísérletet teszek annak elmagyarázására, hogy szerintem hogyan kellene egy szakszerű kockázatkezelésnek kinéznie.

A villámvédelmi modell

Kissé elméletinek hangozhat a bekezdés címe, pedig valójában egyszerű dologról van szó. A villámvédelem lényege röviden összefoglalva annyi, hogy van valamilyen elképzelésünk arról, hogy a villámok milyen módon okozhatnak károkat az építményekben, és ennek alapján különböző intézkedésekkel megpróbáljuk a károk (az érvényes villámvédelmi szabványban: veszteségek) bekövetkezését megelőzni. Ezt az elképzelésünket egy általános modell testesíti meg, amelyet aktuális tudományos, műszaki és társadalmi szempontok alapján alkotunk. 

A korábbi MSZ 274 szabvány villámvédelmi modelljét a következőképp írhattuk le hétköznapi módon: az építményt érő villámcsapás hatására keletkező tűz okoz kárt. Meg kell tehát vizsgálni, hogy a tűz keletkezése mennyire valószínű, illetve a tűz milyen nagy kárt okozhat, és ettől függően kell a szükséges villámvédelmi intézkedéseket alkalmazni, a tűz keletkezésének megelőzése érdekében. 

Ez egy nagyon egyszerű modell volt, mert – eltekintve apróbb részletektől – azt feltételezte, hogy csak az építményt érő villámcsapás okoz kárt (mert csak az képes az építményben tüzet okozni), és hogy a kár kizárólag tűz révén keletkezik. Ennek megfelelően a „villámvédelmi kockázat” értékelése (amelyet az MSZ 274-2 „villámvédelmi besorolásnak” nevezett) is meglehetősen egyszerű volt.

A jelenleg érvényes MSZ EN 62305 szabvány egy lényegesen összetettebb modellre épül. Ez eleve abból indul ki, hogy nemcsak a (villámcsapás hatására keletkező) tűz okozhat károkat, hanem a villamos és elektronikus hálózatokban villám hatására fellépő meghibásodás is, sőt, figyelembe kell venni az áramütés lehetőségét is (személyeknél, haszonállatoknál). Ráadásul arra is tekintettel kell lenni, hogy ezek nemcsak magát az építményt érő villámcsapás esetén következhetnek be, hanem közeli villámcsapás, vagy az építményhez csatlakozó vezetéket érő villámcsapás esetén is. Az MSZ EN 62305 villámvédelmi modellje összesen nyolcféle lehetséges kapcsolatot határoz meg a villámok és a hatásukra bekövetkezhető károsodások között (1. ábra), és ezeket a kapcsolatokat egy-egy ún. kockázati összetevőhöz (RA, RB stb.) kapcsolja. Úgy is mondhatnánk, hogy az MSZ EN 62305 a villámnak többféle lehetséges károkozási folyamatát feltételezi, mint az MSZ 274, ezért értelemszerűen bonyolultabb a villámvédelmi modellje és az a „villámvédelmi kockázatkezelés” is, amellyel megállapítjuk a szükséges villámvédelmi intézkedéseket.

1. ábra: az RA, RB … kockázati összetevők azt mutatják, hogy a károsodás milyen fizikai folyamat révén következett be

A kockázatkezelési modell

A villámvédelmi modell, amelyre a szabvány épül, a villámok és a károk (veszteségek) közötti összes lehetséges kapcsolatot tükrözi, tehát egy általános, elméletileg minden elképzelhető esetet lefedő alapmodell. Amikor a tervező egy konkrét feladatot kap, akkor – szem előtt tartva, hogy a konkrét esetben a villám milyen módon okozhat veszteségeket – az általános modellt „rá kell húznia” az adott esetre, és ezt nevezhetjük kockázatkezelési modellalkotásnak.

A kockázatkezelési modellalkotás első lépése a geometriai modell megalkotása, annak érdekében, hogy ki lehessen számolni az építmény villámvédelmi gyűjtőterületét, majd annak felhasználásával a villámvédelmi kockázatot. A gyűjtőterület számítása minden téglatest alakú építmény esetében egyszerű feladat, mely a téglatest hosszúságának, szélességének és magasságának ismeretében az MSZ EN 62305-2 A mellékletében megadott képlettel könnyedén elvégezhető. Az építmények jelentős része azonban nem téglatest alakú, vagy téglatest alakú ugyan, de közvetlenül kapcsolódik más építményekhez, ezért nem mindig egyértelmű, hogy az építmény hol kezdődik és hol ér véget. A geometriai modellalkotás éppen ezért arra szolgál, hogy az MSZ EN 62305 és a Villamos TvMI szabályai alapján megállapítsuk a kockázatkezelés tárgyát képező építmény vagy építményrész határait (2. ábra), másrészt arra, hogy megkeressük azt a közelítő geometriai formát, amely kellő pontossággal felhasználható a gyűjtőterület számításához. A bonyolult geometriájú építmények esetében a gyűjtőterület számításához a legtöbbször jól használható az a képzeletbeli téglatest, amely magába foglalja az építmény egészét. Ez a módszer természetesen a tényleges gyűjtőterület felülbecsléséhez vezet, de a gyűjtőterület emiatti növekedése a számított kockázatot többnyire csak kis mértékben növeli, következésképp általában nem teszi szükségessé szigorúbb villámvédelmi intézkedés alkalmazását (lásd keretes írás).

2. ábra: szomszédos építményhez kapcsolódó építmény körülhatárolása a kockázatkezeléshez. A körülhatárolás szabályait az MSZ EN 62305 és a Villamos TvMI tartalmazza.

A geometriai modellalkotás részét képezi annak meghatározása is, hogy a kockázatkezelés tárgyát képező építmény hány csatlakozóvezetékkel csatlakozik környezetéhez.

A villámvédelmi gyűjtőterület meghatározása

Az MSZ EN 62305-2 szabvány értelmében egy építmény gyűjtőterületének meg-határozásához az építményt egy 1:3 meredekségű egyenessel kell végigsúrolni (3. ábra). A gyűjtőterület az a terület, amelyet a súroló egyenes a síkból kimetsz. Bonyolult geometriájú épületek valós gyűjtőterülete nem határozható meg, ezért többnyire valamilyen egyszerűsítéssel kell élni.

A legegyszerűbb eljárás az építmény „dobozolása”, vagyis olyan képzeletbeli téglatest keresése, amelyben elfér az építmény, és ezt követően a téglatest gyűjtőterületének számítással történő meghatározása. Ez a módszer természetesen az építmény tényleges gyűjtőterületének felülbecsléséhez vezet, hiszen a „doboz” gyűjtőterülete akár 40-50%-kal is nagyobb lehet az építményénél (4. ábra). Vitán felül áll, hogy első pillantásra ez jelentősnek nevezhető − akkor is, ha a gyakorlatban jellemzően ennél kisebb, 20-30% körüli a felülbecslés mértéke. A felülbecslés hatásának értékeléséhez számoljunk egy kicsit − tételezzük föl, hogy 50x50 méteres csarnokunk 8 m magas, amelyen 4 m magas kiugró rész található. Elméleti szélsőségként a legkedvezőtlenebb esetet feltételezve geometriai modellként egy 8+4=12 m magas, 50x50 méteres téglatest gyűjtőterületét kiszámolva 13 772 m²-t kapunk. Ha a kiemelkedés nem fedi le a csarnok egészét, akkor a tényleges gyűjtőterület ennél kisebb lesz. A legkedvezőbb esetben, ha a kiemelkedés a csarnok közepén van, és nem nagy alapterületű, akkor - a szerkesztési módszerből következően - a gyűjtőterület azonos egy 8 m magas, 50x50 méteres téglatest gyűjtőterületével, amely 9110 m². A tényleges gyűjtőterületről tehát annyit mondhatunk, hogy az a két elméleti szélsőérték között lesz, ezért a „dobozolás” legfeljebb 13 772 m²/9110 m²=1,51, azaz 51%-os felülbecslést jelent. Ahhoz, hogy a gyűjtőterület növekedésének hatását az építmény villámvédelmi kockázatára, ebből eredően a szükséges védelmi intézkedésekre értékelni tudjuk, az alábbiakat kell figyelembe vennünk:

  • A gyűjtőterület 50%-os növekedése az LPS legfeljebb egy fokozatnyi szigorodását okozhatja. Mivel a két fokozatnyi szigorodáshoz legalább 100%-os növekedés lenne szükséges (ld. PB értékei az MSZ EN 62305-2 B.2 táblázatában), és mert egy fokozatnyi szigorodás tetszőlegesen kicsi, akár 1-2%-nál kisebb gyűjtőterületnövekedést is okozhat, az 50%-os pontatlanság hatása valójában kicsi.
  • Illúzió azt képzelni, hogy a gyűjtőterület a bonyolult geometriájú építmények esetében 5-10%-nál pontosabban meghatározható, bármilyen módszert is választunk. Ehhez képest az akár 50%-os felülbecslésnek sincs jelentősége, a kockázatkezelés eredménye nagy valószínűséggel ugyanaz lesz, mintha egy „sokkal pontosabb” módszert választanánk.
  • Csak összehasonlításképp: a környezetnek a villámcsapás valószínűségét növelő vagy csökkentő hatását mutató tényező (CD, ld. MSZ EN 62305-2 A.1. táblázata) a környezet függvényében a 0,25 - 0,5 - 1 - 2 értékeket veheti fel, vagyis rossz megválasztása lényegesen nagyobb hatással van a kockázatkezelés eredményére, mint az építmény magasságának „pontos” megadása.

Bátran állíthatjuk tehát, hogy a módszerből következő felülbecslés gyakorlati hatása a végeredmény szempontjából elhanyagolható.

3. ábra: Az építmény villámvédelmi gyűjtőterületének meghatározása geometriai módszerrel

 

4. ábra: Az építmény tényleges és geometriai modelljének alapján meghatározott, felülbecsült gyűjtőterületének viszonya.

Nyilván van olyan eset, amikor küzdeni kell azért, hogy a kockázatkezelés eredménye ne legyen indokolatlanul szigorú védelmi intézkedés, és ilyenkor minden lehetőséget meg kell vizsgálni, a gyűjtőterület csökkentésének lehetőségét is. Ne számítsunk azonban arra, hogy a pontosítással a kockázatot lényegesen lehet csökkenteni. Ha néhány százaléknyi csökkentés elég ahhoz, hogy a kívánt eredményt elérjük, akkor szerencsénk van – ha nem, akkor nem érdemes görcsölni.

Bár az előbbiekben az építménymagasság hatását vizsgáltuk, ugyanez jelenthető ki a szélességre és a hosszúságra is, azzal megtoldva, hogy utóbbi méretek a magasságnál is kisebb mértékben befolyásolják a gyűjtőterület nagyságát, ezáltal a kockázatkezelés eredményét. Konklúzióként megfogalmazhatjuk, hogy az építmény méreteit fölösleges centiméter pontossággal meghatároznunk: az építményt magukba foglaló „dobozok” méterre kerekített, bonyolultabb esetben 5-10% pontosságú méretei a kockázatkezelés szempontjából tökéletesen megfelelők. 

A „csatlakozóvezeték” definíciója a szabványban meglehetősen elnagyolt. Általánosságban az építmények kisfeszültségű és telekommunikációs közcélú hálózatra csatlakozását tekintjük „csatlakozóvezetéknek”, ezért jellemzően két csatlakozóvezeték azonosítható a geometriai modell részeként. Lehetnek természetesen eltérések, pl. olyan esetben, amikor az építményhez egyáltalán nem csatlakoznak vezetőképes hálózatok, vagy akkor, amikor a kockázatkezelés tárgyát képező építményt a vezetőképes hálózatok olyan építménnyel (pl. antennatoronnyal) kötik össze, amely a csatlakozó építmény gyűjtőterülete miatt lényegesen növelheti a kockázatot − ennek értékelése a tervező feladata, a modellalkotás során. A kockázatkezelési modellalkotás azonban nem merül ki a geometriai modellalkotásban: ide tartozik az építmény övezetekre bontása is, melynek során az építményt (és esetleg annak közvetlen környezetét) olyan térrészekre bonjuk, melyek − többnyire kialakítási jellemzőiknél fogva − a villámvédelmi kockázatkezelés szempontjából önálló egységekként vehetők figyelembe. Az övezetek nem szükségszerűen térben összefüggő részei az építménynek, így például egy épület különböző szintjein elhelyezkedő, de azonos rendeltetésű helyiségei (pl. laboratóriumok, műtők stb.) képezhetnek egy övezetet. Az övezetre bontás azonban még annál is ingoványosabb része a kockázatkezelésnek, mint a csatlakozóvezetékek azonosítása, ezért általános szabályként csak annyi jelenthető ki, hogy az építményeket célszerű a lehető legkevesebb övezetre bontani. Fölösleges tehát az építményt egynél több övezetre bontani, ha − amint arra 6.7. pontjában az MSZ EN 62305-2 is felhívja a figyelmet − attól nem várható a villámvédelmi intézkedések érdemi enyhítése. Itt kell rámutatnunk arra az általános tévedésre, mely szerint a kockázatkezelési övezetek a villámvédelmi zónákkal azonosíthatók: bár ennek elméleti lehetősége nem zárható ki, a hétköznapi gyakorlat szintjén az övezetek villámvédelmi zónákkal történő azonosítása nem értelmezhető. (Akkor sem, ha a szabvány a 6.7. pontjában egyebek mellett ennek lehetőségét is sugallja.) Ennek okait már részletesen leírtuk a VL 2012/ 7-8. számában „Villámvédelmi kockázatelemzés: Övezet vagy villámvédelmi zóna?” címmel, ezért itt nem ismételjük meg. Bár az akkori cikk a szabvány első kiadása alapján íródott, a leírtak az azóta érvénybe lépett második kiadásra is vonatkoznak.

Az eddigiek alapján úgy tűnhet, hogy a kockázatkezelési modellalkotás pusztán annak megállapítása, hogy mekkora az építmény, hány csatlakozóvezeték azonosítható, és hogy hogyan kell övezetre bontani az építményt. A modellalkotás valóban ebben nyilvánul meg „kézzelfoghatóan”, azonban nem szabad megfeledkeznünk arról, hogy a modellnek azokat a fizikai folyamatokat és logikai összefüggéseket kell leképeznie, amelyek révén a kockázatkezelés tárgyát képező építményben villám hatására veszteségek következhetnek be. A gyakorlat azt mutatja, hogy a tervezők a legtöbb hibát ezen a ponton követik el: sokan úgy vélik, hogy az a jó kockázatkezelés, amelynek modellje sok csatlakozóvezetéket és sok övezetet (legalább a három villámvédelmi zónát) tartalmaz, ez azonban súlyos tévedés! Egyrészt minél több részből áll a modell, annál több adatot kell megadni a számításokhoz, márpedig az adatszolgáltatás megbízhatósága, sőt az adatszolgáltatás lehetősége mindig kritikus pontja a kockázatkezelésnek. (Ne felejtsük el, hogy az építész és a tűzvédelmi tervező kollégáktól kellene részletes adatokat kérnünk...) Másrészt a részletesebb modell bonyolultabb logikai kapcsolatokat feltételez, és ez könnyebben tetten érhetővé teszi a kockázatkezelés koncepcionális hibáit. Harmadrészt – és ez sem elhanyagolható szempont – a több részből álló modell könnyen nagyobb számított kockázathoz, ennek révén szigorúbb védelmi intézkedésekhez vezet. A modellalkotás lényege végső soron az, hogy a modellhez kapcsolódó számítások révén lehetővé tegye az 1. ábrán bemutatott nyolcféle lehetséges kockázati összetevő közül azok számítását, melyek a kockázatkezelés tárgyát képező építmény esetében megjelennek.

Kockázatkezelési modellalkotás a gyakorlatban

Az OTSZ előírásából fakadóan villámvédelmi kockázatkezelést az építmények sokféle fajtáján kell végezni. A modell felállítása épületek (vagyis személyek tartós benntartózkodására szolgáló építmények) esetében általában egyszerűbb, mint műtárgyak esetében, mert az MSZ EN 62305 erre lett részletesen kidolgozva, következésképp egy épület kockázatkezelésére könnyebb analógiákat találni a szabványban, mint egy műtárgyéra. 

Az épületek nagy részénél a kockázatkezelési modell viszonylag egyszerű és lényegében gondolkodás nélkül előállítható: az (esetleges csatlakozó építményekről vagy építményrészekről „leválasztott”) építményt magába foglaló képzeletbeli doboz, amely két vezetékkel csatlakozik környezetéhez (a villamos és telekommunikációs közcélú hálózathoz), és amelyet egyetlen övezet alkot. Ennek a modellnek a bonyolítása csak ritkán indokolt, például olyankor, amikor egy nagyobb épület több különböző rendeltetésű részt tartalmaz, és ebből eredően egyes épületrészek a kockázatkezelés szempontjából nagyon eltérő jellemzőkkel rendelkeznek.

A kockázatkezelést azonban sokszor olyan műtárgyakra is el kell végezni, amelyek „ránézésre” is erősen különböznek az épületektől: például antennatornyok, szabadtéri strandok csúszdái, kalandparkok drótkötélpályái − hogy csak néhányat említsünk a nehezebben kezelhető építmények közül. Az ilyen, az „átlagostól” eltérő esetekben annak átgondolásából kell kiindulnunk, hogy a villám milyen módon okozhat veszteségeket az adott építmény esetében (milyen kockázati összetevőket kell számolnunk), és ennek alapján kell meghatároznunk, hogy a kockázatkezelési modellnek milyen részekből kell állnia ahhoz, hogy ezeket a kockázati összetevőket számolni lehessen. Ilyenkor tehát fokozottabb a jelentősége annak, hogy a tervező tisztában legyen a kockázatszámítások mélyebb részleteivel. Ezekben az esetekben a kockázatkezelés „szokásos” paramétereinek egy részét nem lehet, vagy nem úgy kell értelmezni, mint általánosságban, és ebből következően a számításokhoz felhasznált paramétereket illik egy kis magyarázattal ellátni. (Miért vett figyelembe pánikveszélyt a tervező, ha az építményben csak ketten tartózkodnak? Miért nincs tűzkockázat, ha az építmény fából készült? Stb.)

A laikus szemszögéből a modellalkotás szükségessége persze sokkal inkább tetten érhető abban, hogy ha nincs modell (építmény, csatlakozóvezetékek, övezetek), akkor nincs minek megadni a paramétereit, ez azonban ne tévesszen meg bennünket! A modellalkotás során nem azért kell egy csatlakozóvezetéket megneveznünk, hogy legyen minek a hosszúságát megadni, hanem azért, mert fizikai szemléletünk és a szabvány alapján lehetségesnek tartunk egy olyan eseménysort, amelyben − például − egy építményhez csatlakozó (nem feltétlenül villamos vagy telekommunikációs!) vezetéket érő villámcsapás révén az építmény kigyullad, és ennek következtében személyek sérülhetnek. Következésképp szükségesnek ítéljük az RV kockázati összetevő értékét számolni, márpedig ehhez a kockázatkezelési modellnek egy vagy több csatlakozóvezetéket kell tartalmaznia. 

Tévedés lenne azonban azt gondolni, hogy a kockázatkezelési modellnek a valóság pontos másának kell lennie, és ennek jegyében – csak példaképp kiragadva – minden, az építményből kilógó madzagot csatlakozóvezetékként kellene figyelembe venni. Az MSZ EN 62305 − sajnos, nem teljesen egzakt formában − számos iránymutatást ad arra vonatkozóan, hogy a kockázatkezelési modellt hogyan kell felépíteni, és milyen egyszerűsítésekkel lehet élni. Ezért is célszerű óvakodni a túlzottan részletes, sok övezetet és csatlakozóvezetéket tartalmazó kockázatkezelési modellektől, amelyek általában a szabvány ismeretének hiányára, a kockázatkezelés elvi hibáira utalnak. 

Ha a modellalkotással megvagyunk, azaz helyesen meghatároztuk, hogy az építmény hány övezetből áll és hány vezetékhez csatlakozik, akkor nincs más hátra, mint a modellparaméterek értékének megadása.

Folytatjuk.

KockázatkezelésMSZ 274MSZ EN 62305