避雷針效能實地驗証

章任企業有限公司 陳信佑
本文刊登在中華民國電機技師公會雜誌176期110頁

 

1. 前言

臺灣常見的避雷針有增強型避雷針(IEEE 998-2012所認可的收集體積CVM)、放電式避雷針(ESE, Early Streamer Emission, 依據NFC 17-102)、吸收反射式及消雷型避雷針,這些避雷針都具有保護半徑,可用來檢討建築物是否有完整的保護。
然而很多企業主、設計師和承包商會有所疑問,就如廠家宣稱的避雷針保護半徑是否真確?況且,目前全世界尚未有公認的避雷針保護半徑測試標準,亦無實驗室可做這項測試。因此對廠商宣稱的保護半徑仍有存疑。

 

2. 放電式避雷針(ESE)之效能測試

有些放電式避雷針廠商會說他們的避雷針效能已經有依照NFC 17-102標準做效能測試了,這樣的說法其實只對了一半,以下是NFC 17-102的效能測試介紹:
根據NFC 17-102的規定,ESE避雷針必須要做ΔT測試1,所謂的ΔT測試,簡單的說,就是在同一個測試環境下(如圖一),測試者先拿一個傳統式避雷針棒,測試高壓產生器之電流擊中傳統式避雷針棒的時間,然後再測試高壓產生器之電流擊中ESE避雷針的時間。假設傳統式避雷針花了500μs攔截到雷電,而ESE避雷針花了440μs攔截到雷電,則代表此ESE避雷針放電的速度比傳統式避雷針快了60μs,所以此ESE避雷針的ΔT就是60μs。


(圖一) ΔT測試示意圖

 

測試出ΔT之後,再依據NFC 17-102的避雷針保護半徑公式(如圖二)代入計算,即可算出避雷針的保護半徑。


(圖二) NFC 17-102 避雷針保護半徑計算公式

 

因此,這樣的避雷針保護半徑有二個問題:
一、 此避雷針的ΔT測試是在實驗室內,測試時的溫度、濕度、高度等要素與實際安裝在現場的避雷針是否會一樣?
二、 此公式是如何產生的?法國INERIS2報告也對於此公式提出質疑。

 

3. ERICO公司之SYSTEM 3000避雷系統實地驗證

2006年,ERICO公司發表了實地驗證的論文,其標題為:Field study on the interception efficiency of lightning protection systems and comparison with models(避雷系統攔截效率之實地驗證與模型之比較),作者為F D'Alessandro和 N.I Petrov。針對ERICO公司所開發之避雷系統收集體積(CVM, Collection Volume Method)理論做實地驗證。
此次驗證位在馬來西亞,由於該地區的雷擊頻度相當之高,每年每平方公里大約有20次雷擊(臺灣大約是0.8次3)。ERICO公司直接對建築物上的避雷針來做驗證。統計的時間從1990-2003年,本次統計的結果如下表:

建築物數量 58棟
避雷針數量 86組
建築物平均高度 57米
總觀察時間 592年
設計時的保護位準 80%
實際觀察攔截效率 88%

由上表可知,ERICO公司SYSTEM 3000之收集體積理論是非常有效的。本篇論文已經刊登在The Royal Society上,完整的內容可至網站http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/462/2069/1365查詢。

 

4. ERICO委託TUV對SYSTEM 3000避雷系統實地驗證

上述的論文發表後,不免還是有人會質疑:所有的數據都是ERICO公司提供的,結論還是令人懷疑。因此,ERICO公司委託第三公正單位TUV統計與檢驗,TUV統計數據後,再提供給Case Western Reserve University計算分析。此論文標題為Interception efficiency of CVM-based lightning protection systems for buildings and the fractional Poisson model (建築物依照收集體積之避雷系統之攔截效率與Poisson模型),作者為Harold S. Haller 和 Wojbor A. Woyczynski。於今年(2016)發表。
此次統計的時間為2010-2012,一樣是在馬來西亞,結果如下:

現場數量 24
建築物平均高度 70.1米
總觀察時間 37年
平均觀察時間 1.54年
設計時的保護位準 90.9%
實際觀察攔截效率 90.7%

由上表可知,ERICO公司的收集體積(CVM)理論是相當有可靠性的,設計時的保護位準跟實際觀察的攔截效率幾乎沒有差別。本篇論文目前已經刊登在Cornell University,完整的內容請到http://arxiv.org/abs/1602.01395查詢。

 

5. 結論

以目前的科技尚無法測試廠商宣稱的避雷針保護半徑,因此,退而求其次,依據避雷針的設計理論,採用統計學檢討現場避雷針的實際攔截能力。 ERICO公司為驗證避雷針攔截能力,今年所發表的論文,已由第三公正單位處理數據統計及分析,提供實地驗證。

 


 

備註1. 根據NFC 17-102/2011年版本,ESE避雷針的測試除了ΔT測試之外還有其他的如環境測試、耐電流測試等,但由於本文章主要在講實地驗證部分,故其他測試暫不贅述。

備註2. 法國INERIS,其英文全名為National Institute of Industrial Environment and Risk assessment,在2001年有出版一份研究,標題為Study of Early Streamer Emission Lightning Conductors – ESE (放電式避雷導體之研究),其結論有一點提出:The parameter of early emission, even if it is measured under specific conditions, is not enough to justify the radii of protection published in the standard; because the conditions of validation of the formula used are based on unverified assumptions, in particular with regard to the propagation speed of the ascending leader and the minimal energy brought by the descending leader. The main criticism against the ESE is an excess of confidence in terms of the volume of protection, and not an inadequacy from the physics point of view.

備註3. 根據臺電公司綜合研究院統計,民國101-104年,臺灣每年每平方公里雷擊次數約為0.8次。

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