6-2. Elektryczność statyczna i energia elektryczna

6-2. slajd 25

Wyładowanie atmosferyczne jest wyładowaniem elektrycznym wewnątrz chmury burzowej lub między chmurami bądź między chmurą a powierzchnią ziemi [P.14]. Najczęściej występują wyładowania liniowe w postaci rozgałęzionej iskry o długości od kilku do kilkudziesięciu kilometrów. Rzadziej występują pioruny kuliste (w postaci świecącej kuli zjonizowanego gazu o średnicy kilkudziesięciu centymetrów) i pioruny łańcuchowe (w postaci łańcucha złożonego z oddzielnych punktów świetlnych). W Polsce, w ciągu roku mają miejsce średnio 2 wyładowania piorunowe na 1 km² powierzchni ziemi.

Zagrożenia od wyładowań atmosferycznych

(rysunek: 41-42)

Rys. 41.

Rys. 42.

Obserwacje wyładowań atmosferycznych i ich skutków, badania symulacyjne prowadzone w laboratoriach oraz długotrwałe monitorowanie parametrów napięć i sygnałów w sieciach zasilających i liniach transmisji danych, dostarczają przydatnych informacji o mechanizmach powstawania piorunów i zjawiskach z nimi związanych. Prowadzi to do żywiołowego rozwoju wiedzy, obserwowanego w ciągu kilku ostatnich latach, a pozwalającego w szczególności na opracowanie zasad kompleksowej ochrony przed niepożądanymi skutkami wyładowań, zarówno dla człowieka, jak i dla jego mienia, takiego jak: budynki, ich wyposażenie oraz instalacje i urządzenia. Rozpatruje się przy tym zarówno efekt samych uderzeń piorunów w obiekt budowlany i ewentualne bezpośrednie szkody z tym związane (np. wypalenie materiału pokrycia dachu, rozkruszenie wystających ponad dach kominów, stłuczenie szyb) , jak też ich pośrednie oddziaływanie:

• na elementy budynku, np. nagrzewanie prętów zbrojeniowych wewnątrz ścian i fundamentów – przyjmuje się, że wartość szczytowa prądu wyładowania może przekraczać 100 kA,
• na bezpieczeństwo porażeniowe ludzi z tym związane, np. wskutek pojawiania się napięć dotykowych w budynku, a napięć krokowych - nawet w odległościach rzędu wielu metrów od miejsca spływu prądu piorunowego do ziemi,
• na dochodzące napowietrzne linie elektroenergetyczne i sygnałowe – zarówno przy trafieniach pioruna w nie, jak i przy indukowaniu w nich przepięć przy pobliskich uderzeniach, co prowadzi do uszkodzeń izolacji, porażenia i pożarów,
• na pracę instalacji i urządzeń elektrycznych, podatnych na uszkodzenie izolacji przy jej przebiciu, np.
• w miejscu zbliżenia do kanału przepływu prądu piorunowego - co może prowadzić do porażeń i pożarów, na poprzez impulsowe zaburzenia elektromagnetyczne, powodujące zakłócanie działania urządzeń elektrycznych lub elektronicznych, degradację ich właściwości lub wręcz ich zniszczenie (np. poprzez indukowanie przepięć uszkadzających elektroniczne elementy sterowania),
• poprzez spływ do ziemi wyindukowanych ładunków elektrostatycznych, mogących poprzez nagrzewanie lub iskrzenie powodować pożar czy wybuch,
• napięcia dotykowe i krokowe.

Ochrona odgromowa [P.32] polega na wykonaniu urządzenia piorunochronnego, którego zadaniem jest:

• przejęcie uderzenia pioruna, a więc niedopuszczenie do wyładowania w obiekt,
• odprowadzenie prądu pioruna do ziemi,
• niedopuszczenie do powstania napięć zagrażających bezpieczeństwu ludzi i zwierząt,
• niedopuszczenie do wyładowań iskrowych mogących spowodować pożar i wybuch.

Urządzenie piorunochronne składa się z następujących zasadniczych elementów (6-2. slajd 26):

• zwodu, przeznaczonego do bezpośredniego przyjmowania wyładowań atmosferycznych,
• przewodów odprowadzających, łączących zwód z przewodem uziemiającym lub uziomem,
• zacisku probierczego - rozłączalnego połączenia w przewodzie odprowadzającym,
• przewodów uziemiających, łączących przewód odprowadzający z uziomem.

6-2. slajd 26

Instalacja odgromowa
(rysunki: 43-46)

Rys. 43.

Rys. 44.

Rys. 45.

Rys. 46.

Podczas przepływu prądów piorunowych mogą występować napięcia o bardzo dużych wartościach między urządzeniem piorunochronnym a pobliskimi instalacjami elektrycznymi i przedmiotami metalowymi. Aby zapobiegać wyładowaniom (iskrom wtórnym) zagrażającym porażeniem, pożarem lub wybuchem, stosuje się połączenia wyrównawcze lub odstępy izolacyjne i przegrody.

Połączenia wyrównawcze instalacji elektroenergetycznych i telekomunikacyjnych z urządzeniem piorunochronnym wykonuje się za pomocą przerw iskrowych lub ochronnika. Z kolei instalacje centralnego ogrzewania, wodno-kanalizacyjne, sanitarne lub rynny, balustrady metalowe, kominy itp. należy łączyć z uziemioną szyną wyrównawczą w obiekcie, do której podłączane są również przewody uziemiające instalacji odgromowej.

Ciężkość potencjalnych urazów oraz mnogość możliwych do wystąpienia szkód i zakłóceń w obiektach budowlanych, w których coraz liczniej występują rozmaite instalacje, wyposażone w coraz bardziej czułe i wymagające urządzenia - przemawiają za koniecznością stosowania, oprócz standardowej ochrony odgromowej, także tzw. ochrony wewnętrznej. Stanowią ją specjalne instalacje uziemiające i wyrównania potencjałów, jak również rozwiązania do ochrony przeciwprzepięciowej – w praktyce najczęściej sprowadza się to do odpowiedniego prowadzenia poszczególnych instalacji oraz do wyposażania sieci zasilających i instalacji elektrycznych oraz linii transmisji danych w odpowiednio dobrane zestawy odgromników i ochronników, pozwalających na redukcję przepięć pomiędzy poszczególnymi przewodami i w stosunku do uziemionych przedmiotów [N.26][N.82][N.87][N.108].

Niektóre z wymagań technicznych nie ograniczają się jednak do samych instalacji czy urządzeń, lecz ingerują także w rozwiązania stosowane w konstrukcji obiektu budowlanego, a w szczególności w kwestiach: wykorzystania metalowych elementów (jak: pokrycia dachu, elewacji, konstrukcji kratownicowych, słupów) do przejmowania i odprowadzania ładunku pioruna, pełnienia funkcji uziomów przez fundamenty, sposobów rozmieszczania i łączenia stalowych zbrojeń dla zapewnienia rozkładu potencjałów i przepływu prądów, czy też wykonywania przepustów dla kabli i rurociągów. Stopień skomplikowania tych zagadnień wymaga szczególnego potraktowania ich na każdym etapie „życia” obiektu technicznego:

• jako wyważonych działań podejmowanych przez wytwórcę czy konstruktora urządzenia elektrycznego oraz projektanta (zarówno elektryka, jak też i architekta) budynku, w którym zostanie ono zainstalowane – dla przewidzenia z odpowiednim wyprzedzeniem wymaganych rozwiązań,
• troski wykonawców prac instalacyjnych o jakość i poprawność montażu oraz skoordynowania ich wzajemnej współpracy, zwłaszcza pod kontrolą inspektora nadzoru, jeżeli stanowisko takie istnieje na danym placu budowy,
• poprzez dokonanie specjalistycznych badań i pomiarów pomontażowych, stosownych do przyjętych rozwiązań,
• jako racjonalnej eksploatacji poszczególnych elementów obiektu budowlanego, jego instalacji i urządzeń i wyposażenia, w tym regularne prowadzenie kontroli stanu technicznego.

Zgodnie z nowymi tendencjami w dziedzinie ochrony przed oddziaływaniem wyładowań atmosferycznych na obiekty budowlane [P.14], kompleksowe podejście - zwane „strefową koncepcją ochrony” - polega na wyznaczeniu w nich wydzielonych stref, których granice tworzą uziemione zbrojenia przegród budowlanych i metalowe obudowy urządzeń - ekranujące przed wnikaniem prądu piorunowego i impulsowego pola elektromagnetycznego. Na tych granicach instaluje się poszczególne stopnie elementów ochrony przeciwprzepięciowej, tłumiących przepięcia w liniach zasilających i sygnałowych. Strefy wyznacza się przykładowo w następujący sposób:

• strefa 0 A – ponad dachem budynku i siatką zwodów,
• strefa 0 B – na dachu budynku, lecz poniżej zwodów - strefa ochronna obejmuje np. anteny i urządzenia elektryczne zainstalowane na dachu,
• strefa 1 – przestrzeń wewnątrz bryły budynku (za pojedynczym ekranem utworzonym ze zbrojenia ścian zewnętrznych),
• strefa 2 – kubatura chronionego pomieszczenia, wyposażonego w urządzenia elektryczne (zbrojenie ścian tworzy kolejny ekran),
• strefa 3 – uziemiona metalowa obudowa zawierająca chronione urządzenia (tworząca ostatni ekran).

Ponadto zasady budowy nowych instalacji wymagają zarządzania ryzykiem szkód piorunowych, powodowanych przez wyładowania - bezpośrednie i pobliskie - trafiające zarówno w sam obiekt budowlany, jak i w linie/instalacje (tzw. „urządzenia usługowe”) do niego doprowadzone. Zwrócić należy też uwagę na materiały, które stanowią elementy urządzeń piorunochronnych, rozpatrując też działanie na nie prądu wyładowania, a rozwiązania w ochronie odgromowej i przeciwprzepięciowej powinna być skoordynowane z rozwiązaniami zapewniającymi kompatybilność elektromagnetyczną.