為什麼不推薦法國標準NF C 17-102避雷針?

1. 先說結論
NF C 17-102 ESE避雷針理論,在國際主要協會/組織,像是IECIEEENFPAICLP等,都不願意接受,他們認為法國標準避雷針的理論缺乏科學根據。以下是詳細說明:

2. 放電式避雷針(ESE)之效能測試
首先我們要先瞭解法國標準的細節。根據NF C 17-102:2011的規定,ESE避雷針必須要依序做一般測試(general tests),機械測試(mechanical tests),環境測試(environmental conditioning),電流測試(current withstanding test)與先發閃流測試(Early Streamer Emission)測試。所謂的先發閃流測試,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,測試傳統式避雷針攔截到雷電的時間,然後再測試ESE避雷針攔截到雷電的時間。假設傳統式避雷針花了500μs攔截到雷電,而ESE避雷針花了480μs攔截到雷電,再依照法國標準的參考曲線(如圖二)來計算出避雷針的ΔT
 

(圖一) ΔT測試示意圖

(圖二) NF C 17-102 參考曲線原則

    測試出ΔT之後,再依據NF C 17-102的避雷針保護半徑公式(如圖三)代入計算,即可算出避雷針的保護半徑。

(圖三) NF C 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主要問題:
一、 此避雷針的ΔT測試是在實驗室內,測試時的溫度、濕度、高度等因素與實際安裝在現場的避雷針是否會一樣?
二、 保護半徑計算公式是如何產生的?參考曲線是怎麼來的?
 
3. 各大協會/組織對於ESE避雷針的說明
A. IEC (International Electrotechnical Commission)
IEC 62305明確的指出,避雷針的檢討方式有三種,分別是滾球原理(rolling sphere)、保護角原理(protection angle)和銅網保護(Mesh method)方式,不接受ESE的理論。
 
B. NFPA (National Fire Protection Association)
NFPA 780/2014明文規定本標準不包含放電式避雷針或消雷系統。
1.1.3 This document shall not cover lightning protection system installation requirements for early streamer mission systems or charge dissipation systems.
ESE避雷針製造商曾經想要將ESE標準放入NFPA 781,但是781後來沒有成立。
 
C. IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)
IEEE 998-2012年版7.3提到:
    ESE lightning rods and the associated design method in NF C 17-102 have been criticized by the scientific community for more than a decade for a number of fundamental and technical flaws in their claimed mode of operation and use for shielding against lightning (Mackerras, Darveniza, and Liew [B92]).
其翻譯為:NF C 17-102的放電式避雷針和其設計方法已經被科學界批評超過十幾年了,因為該標準所宣稱的運作模式和避雷保護的一些基本面和技術性的缺陷。(Mackerras, Darveniza, and Liew [B92]).
另外,IEEE 998接受了ERICO SYSTEM 3000的收集體積理論(CVM)

D. ICLP (International Conference on Lightning Protection)
ICLP2012年的一個公開信提到:
Over a period of more than 30 years, the manufacturers of ESE have tried repeatedly to get ESE or its derivatives included in a number of recognized standards, including IEC/EN standards, Australian/New Zealand Standards, and the American NFPA standard, but the acceptance has been denied each time by all due to the proven lack of protection. The Scientific Committee of ICLP strongly endorses the decisions made by these standardizing bodies.
其翻譯為:過去30幾年來,ESE的製造商不斷的試著將ESE的理論放入數個標準,包含IEC/EN標準,澳洲/紐西蘭標準,和美國NFPA標準,但每次都因為缺少保護的證明而被拒絕。ICLP的科學委員會強烈贊同這些標準化機構所做出的決定。
 
E. 法國INERIS (National Institute of Industrial Environment and Risk assessment)
最致命的批評末過於INERIS報告了,根據INERIS官網
Founded in 1990, INERIS is an EPCIP (French public research body of an industrial and commercial character), under the aegis of the French Ministry of Ecology.
INERIS是法國官方研究機構

法國官方研究機構在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.
其大意跟上面幾個機構差不多,認為法國標準的公式和相關的內容沒有經過科學的驗證,因此提出質疑。

另外,在報告中5.2 OUTDOOR TESTS也提到:
To date, test series have not provided enough data to give convincing elements, which show the superiority of the ESE over SRLC in terms of operating range. However, the early emission is demonstrated.
其大意為:直到今天,一系列的測試也不足於證明ESE會比SRLC(Single Rod Lightning Conductor,傳統避雷針)有更佳的運作。
在6 PERFORMANCE OF THE ESE 提到
…, nothing proves that the announced protection radii are realistic.
沒有東西可以證明ESE宣稱的保護半徑是真實的

 
4. 如果法國標準ESE避雷針不好,那要用哪一種避雷針呢?
如果是高價值的建築物,像是發電廠、高科技廠房等,建議您使用ERICO SYSTEM 2000產品,此產品依照NFPA 780/UL 96設計和認證。因為高價值的建築物通常會到外國保火險,如果現場的避雷設備有符合UL標準,由於安全性比較高,因此保費會降低。
如果預算沒有那麼好,或是一般的建築物、工廠設施等,我們建議使用ERICO SYSTEM 3000 收集體積產品,收集體積(CVM)原理已經被IEEE接受。
您可能會好奇,ERICO SYSTEM 3000避雷針的保護半徑是怎麼算出來的?ERICO SYSTEM 3000的避雷針保護半徑是由一連串的公式計算出來的,詳細內容可以按此下載
您一定會覺得:不是說ESE的公式沒有科學根據嗎?難道CVM的公式就有科學根據嗎?有的!以下是ERICO SYSTEM 3000的實地驗證說明。

5. 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 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(台灣大約是0.83)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
避雷針數量 86
建築物平均高度 57
總觀察時間 592
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。
 
6. ERICO委託TUVSYSTEM 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 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
總觀察時間 37
平均觀察時間 1.54
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。
 
7. 完整結論
NF C 17-102 ESE放電式避雷針的公式與曲線都缺乏科學根據,因此不建議使用,我們建議使用有經過第三方實地驗證的ERICO SYSTEM 3000避雷產品。您可能會好奇,如果ERICO/章任不推薦法國標準避雷針,那為什麼我們又有銷售呢?我們的立場是,ERICO SYSTEM 3000收集體積式(CVM)的避雷針比法國標準好,但如果客戶還是想要ESE避雷針,那我們還是可以提供。