Ochrona odgromowa - ogólne wymagania

Kategoria: Energetyka
Autor: Krzysztof Wincencik
Data: 07-04-2022 r.

Podstawę prawidłowego planowania i wykonywania instalacji chroniących przed prądem piorunowym stanowi norma EN 62305 Ochrona odgromowa. W poniższym artykule skoncentrujemy się  na analizie wymagań ogólnych, które stanowią podwaliny pod opisywaną normę.

W roku 2006 zostały przyjęte jako nowe standardy dotyczące ochrony odgromowej dokumenty z serii EN 62305 (Edycja 1.0), opracowane wspólnie przez IEC (Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna) oraz CENELEC (Europejski Komitet Normalizacyjny Elektrotechniki). W latach 2011–2012 poszczególne arkusze normy zostały zastąpione przez uaktualnione wydanie dokumentów (Edycja 2.0). Polska, jako członek UE, wprowadziła te dokumenty jako normy krajowe w wersji oryginalnej.
Po dokonaniu tłumaczenia na język polski – kolejne arkusze były przyjmowane jako polskie normy, zastępując wersje oryginalne. Obecnie jedynie arkusz 2, dotyczący analizy ryzyka, występuje w wersji oryginalnej, czyli angielskiej.
Norma składa się z 4 arkuszy stanowiących komplet dokumentów w ramach jednej edycji. Z uwagi na różnice w treści poszczególnych arkuszy, jakie wystąpiły w kolejnych edycjach normy, przy projektowaniu ochrony odgromowej należy korzystać z kompletu dokumentów w ramach jednej edycji (najlepiej najnowszej). Aktualnie w ramach normy dotyczącej ochrony odgromowej ustanowione zostały jako polskie normy następujące arkusze

  • PN-EN 62305-2:2012, Ochrona odgromowa – Część 2: Zarządzanie ryzykiem
  • PN-EN 62305-2:2011, Ochrona odgromowa – Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów budowlanych i zagrożenie życia.
  • PN-EN 62305-4:2011, Ochrona odgromowa – Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach budowlanych. 

Arkusz pierwszy PN-EN 62305-1:2011

Pierwszy arkusz normy PN-EN 62305 stanowi swojego rodzaju wprowadzenie do dalszych części normy, definiując pojęcia oraz ogólnie omawiając to, co będzie znacznie szerzej omówione w kolejnych arkuszach. Na końcu normy, w pięciu załącznikach, zawarto m.in. parametry prądu piorunowego (amplitudę i kształt), opis oddziaływania prądu na elementy urządzenia piorunochronnego oraz ograniczniki przepięć, rozpływ prądu piorunowego w trafionym obiekcie i urządzeniach usługowych. Znajomość tych parametrów pozwala w oparciu o zapisy kolejnych arkuszy normy wybrać i zaprojektować odpowiednie środki ochrony.

Rys. 1. Wzajemne powiązanie poszczególnych arkuszy normy PN-EN 62305

W pierwszym arkuszu normy PN-EN 62305-1 podano ogólne wymagania, które należy spełnić, aby zapewnić ochronę obiektu budowlanego przed udarem piorunowym. Ochrona obejmuje nie tylko samą bryłę obiektu, ale również zawarte wewnątrz obiektu instalacje, wyposażenie oraz osoby związane z obiektem budowlanym. Norma podkreśla, że przystępując do projektowania urządzenia piorunochronnego, należy mieć świadomość tego, że występują urządzenia lub metody pozwalające zmodyfikować naturalne zjawiska pogodowe w stopniu umożliwiającym zapobieganie wyładowaniom piorunowym. To, że budynek został wyposażony w urządzenie piorunochronne, nie oznacza, że nie może zostać trafiony przez wyładowanie bezpośrednie. Jednak w przypadku trafienia odpowiednio dobrane środki ochrony pozwalają znacznie zmniejszyć ryzyko wystąpienia strat w budynku.
W ramach problematyki zarządzania ryzykiem (opisanych w arkuszu PN-EN 62035-2) analizuje się potrzebę ochrony, wybór właściwych środków ochrony oraz ekonomiczne korzyści wynikające z zainstalowania środków ochrony.

Ważńe: Dobór środków ochrony do redukcji szkód fizycznych i zagrożenia życia w obiekcie oraz wytyczne wykonania urządzenia piorunochronnego został zawarty w arkuszu PN-EN 62305-3. Informacja dotycząca doboru środków ochrony przepięciowej urządzeń elektrycznych i elektronicznych w obiekcie została opisana w arkuszu PN-EN 62305-4.

Należy pamiętać, że norma PN-EN 62035 nie obejmuje swoimi zapisami ochrony wszystkich  obiektów budowlanych i urządzeń. Z zakresu normy wyłączone zostały:

  • urządzenia kolejowe;
  • pojazdy, okręty, samoloty, instalacje przybrzeżne;
  • podziemne rurociągi wysokociśnieniowe;
  • rurociągi oraz linie elektroenergetyczne i telekomunikacyjne usytuowane poza obiektami.  

Arkusz pierwszy normy zawiera 56 definicji i terminów związanych z ochroną odgromową i parametrami prądu pioruna, które wykorzystywane są w treści dokumentu.

Odziaływanie prądu piorunowego

Z praktycznego punktu widzenia arkusz pierwszy zawiera kilka ważnych zapisów stanowiących podstawę do oceny zagrożeń i analizy ryzyka oraz wyboru środków ochrony zgodnie z kolejnymi arkuszami normy. Pierwszym takim tematem jest problem uszkodzeń spowodowanych wyładowaniem piorunowym. Wyładowanie bezpośrednie w obiekt może spowodować uszkodzenie samego obiektu i znajdujących się w jego wnętrzu systemów oraz stanowić zagrożenie dla znajdujących się w nim osób. Uszkodzenia mogą się rozprzestrzeniać na otoczenie obiektu lub nawet na lokalne środowisko, a ich zasięg zależy od właściwości zarówno obiektu, jak też wyładowania piorunowego.

Przykładowe skutki oddziaływania wyładowania piorunowego na różnego rodzaju obiekty zestawiono w tabeli 1.

Tabela 1.  Skutki oddziaływania pioruna na obiekt

 Budynek mieszkalny

 

Uszkodzenie izolacji w instalacji elektrycznej, pożar i zniszczenie materiałów.
Te uszkodzenia ograniczone są zwykle do obiektów narażonych na bezpośrednie uderzenie lub na przepływ części prądu pioruna.
Awaria zainstalowanych urządzeń elektrycznych i elektronicznych oraz układów (np. odbiorniki TV, komputery, modemy, telefony itp.) – może wystąpić również przy uderzeniu obok obiektu.

Budynek gospodarstwa rolnego

 

Główne ryzyko to możliwość wystąpienia pożaru oraz niebezpiecznych napięć krokowych, a w konsekwencji dużych szkód materialnych.
Wtórne ryzyko związane jest z utratą zasilania elektrycznego gospodarstwa, co może stanowić zagrożenie dla życia inwentarza (np. w wyniku braku działania elektrycznych urządzeń wentylacji, dostawy wody i pożywienia itp.).

Teatr, hotel, szkoła, magazyn, teren sportowy

 

Obiekty, gdzie przebywać może jednocześnie wiele osób.

Ryzyko związane z uszkodzeniem instalacji elektrycznej (np. oświetleniowej), w następstwie czego prawdopodobny jest wybuch paniki. Awaria alarmów pożarowych powodująca opóźnienie zadziałania środków zwalczających pożar.

Bank, towarzystwo ubezpieczeniowe, handlowe itp.

Obiekt z dużą ilością osób, w którym znajduje się wiele urządzeń komputerowych.

Ryzyko związane z uszkodzeniem instalacji elektrycznej (np. oświetleniowej), w następstwie czego prawdopodobny jest wybuch paniki. Awaria alarmów pożarowych powodująca opóźnienie zadziałania środków zwalczających pożar.

Dodatkowe możliwe problemy wynikające z przerwy w komunikacji oraz awarii komputerów i utraty danych.

Szpital, dom opieki, więzienie

Obiekty, w których znajdują się osoby o ograniczonej możliwości samodzielnego poruszania.

Ryzyko związane z uszkodzeniem instalacji elektrycznej (np. oświetleniowej), w następstwie czego prawdopodobny jest wybuch paniki. Awaria alarmów pożarowych powodująca opóźnienie zadziałania środków zwalczających pożar.

Dodatkowo problemy z ludźmi szczególnej troski i trudności niesienia pomocy unieruchomionym ludziom.

Przemysł

 

Skutki zależne od zawartości fabryk, mające zasięg od drugorzędnych do nietolerowanych uszkodzeń maszyn i urządzeń oraz strat produkcyjnych.

Muzea i miejsca archeologiczne, kościoły

Obiekty stanowiące dobra kulturalne.

Występuje ryzyko bezpowrotnej utraty bezcennej spuścizny kulturowej.

Telekomunikacja, instalacje energetyczne

Niedopuszczalna utrata usług publicznych– mogące spowodować zagrożenie zdrowia lub życia oraz straty materialne.

Fabryka materiałów wybuchowych, sztucznych ogni i amunicji

Ryzyko wystąpienia pożaru i eksplozji instalacji oraz konsekwencje oddziaływania na otoczenie.

Instalacje chemiczne, rafinerie, instalacje nuklearne, laboratoria i instalacje biochemiczne

Ryzyko wystąpienia pożaru oraz niesprawność instalacji wraz ze szkodliwym oddziaływaniem na lokalne i globalne środowisko.


  • wyładowanie w obiekt,
  • wyładowanie w pobliżu obiektu,
  • wyładowanie w linię zasilającą przyłączoną do obiektu,
  • wyładowanie obok linii zasilającej przyłączonej do obiektu.   

Następstwa prądu piorunowego

W następstwie uderzenia pioruna mogą pojawić się uszkodzenia, które wg normy podzielone zostały na trzy podstawowe typy:

 

D1:  to porażenie istot żywych (ludzi i zwierząt) wskutek napięć krokowych
           i dotykowych;

 

D2: uszkodzenie fizyczne obiektu lub urządzenia usługowego pod wpływem prądu piorunowego z uwzględnieniem wystąpienia przeskoków iskrowych, w efekcie czego może powstać :pożar, wybuch, uszkodzenia mechaniczne lub np. uwolnienie chemikaliów;

D3: wystąpienie awarii w urządzeniach i instalacjach wewnętrznych wskutek oddziaływania piorunowego impulsu elektromagnetycznego (LEMP) – szkody spowodowane przez przepięcia.

Takie szersze podejście do zagrożeń przenoszonych poprzez przyłączone do obiektu linie (np. teletechniczne lub zasilające) wynika z faktu, że w wyniku oddziaływania prądu pioruna na przyłączone do obiektu linie może dojść do uszkodzeń wewnątrz samego obiektu (pożar, wybuch, uszkodzenie mechaniczne, uszkodzenia sprzętu elektronicznego). Sytuacja taka ma bezpośrednie przełożenie na wielkość strat, jakie mogą wystąpić w obiekcie. Typ straty związanej z oddziaływaniem prądu wyładowania piorunowego na obiekt oraz przyłączone do niego linie zależy od właściwości samego obiektu i zgromadzonej w nim zawartości.

Straty wynikające z uderzenia pioruna

Zgodnie z zapisami normy PN-EN 62305- 1 pod uwagę brane są następujące typy strat, jakie mogą wystąpić w wyniku związanych z obiektem uszkodzeń:

L1: utrata życia ludzkiego;
L2
: utrata usług publicznych (jak np. gaz, woda, TV, zasilanie elektryczne itd.);
L3
: utrata dziedzictwa kulturalnego;
L4
: utrata dóbr ekonomicznych (obiektu i jego zawartości, urządzenia usługowego i jego aktywności). Straty typu L4 – mogą być rozpatrywane jako straty czysto materialne, odnoszące się do struktury obiektu i jego zawartości. Ale strata L4 może również dotyczyć kosztów związanych z przerwą w świadczeniu usług i stratami związanymi z utratą klientów.

Ważne: Typowym przykładem może tu być strata drogiego i krytycznego ze względu na prowadzoną działalność wyposażenia obiektu, które może być bezpowrotnie uszkodzone z powodu awarii systemu zasilania lub uszkodzenia linii teleinformatycznych. Podobnie może skutkować stratą ważnej finansowej informacji,  która nie może być wysłana do klientów instytucji finansowej w wyniku uszkodzenia systemu informatycznego – spowodowanego przez uderzenie pioruna. W przypadku gospodarstwa rolnego strata finansowa może być spowodowana padnięciem zwierząt hodowlanych.

Ocena ryzyka przed prądem piorunowym

Zgodnie z zapisami normy EN 62305-1 w celu redukcji strat L1, L2 i L3 w danym obiekcie może wystąpić konieczność zastosowania ochrony odgromowej obiektu. Projektant w celu ustalenia, czy dla rozpatrywanego obiektu ochrona odgromowa jest potrzebna, czy też nie jest wymagana, musi dokonać oceny ryzyka wg szczegółowych procedur zawartych w drugim arkuszu normy EN 62305-2.

Oceniając konieczność stosowania środków ochrony odgromowej, projektant winien brać pod uwagę ryzyka R1, R2, R3 odpowiadające ich równoważnemu typowi straty:

   

tolerowany poziom ryzyka RT:
                      (1/rok)

 

 

R1: ryzyko utraty życia ludzkiego

                      RT = 10-5

 

 

R2: ryzyko utraty usług publicznych

                      RT = 10-3

 

 

R3: ryzyko utraty dziedzictwa kulturalnego

                      RT = 10-4

 

 

R4- ryzyko utraty dóbr materialnych

 

Jeżeli rozpatrywane jest ekonomiczne uzasadnienie stosowania odpowiednich środków ochrony odgromowej, to należy również brać pod uwagę ryzyko R4.
Ochrona odgromowa danego obiektu jest wymagana, jeżeli ryzyko R (którekolwiek z ryzyka R1, R2 lub R3) jest większe niż określony w normie PN-EN 62305-2 tolerowany poziom ryzyka RT.
W przypadku gdy wszystkie z rozpatrywanych ryzyk R (R1 , R2 , R3) są poniżej tolerowanego poziomu ryzyka RT, wtedy nie są wymagane żadne środki ochronne. Natomiast w przypadku gdy ryzyko R jest większe niż odpowiedni tolerowany poziom ryzyka RT                                                                     
                                                                                              R > RT,
 
należy dobrać odpowiednie środki ochrony tak, aby zapewnić redukcję ryzyka R (R1 do R3) do wartości mniejszej od tolerowanego poziomu RT.

Rys. 2. Zestawienie powiązań pomiędzy ryzykiem i odpowiadającym mu typem straty oraz różnymi typami szkód

1) Tylko dla obiektów z ryzykiem wybuchu oraz dla szpitali lub innych obiektów, w których awaria urządzeń wewnętrznych zagraża bezpośrednio życiu człowieka;
2)
Tylko dla obiektów rolniczych, w których strata dotyczy zwierząt. Więcej szczegółowych informacji na temat oceny ryzyka i procedury wyboru środków ochrony oraz oszacowanie rozmiaru strat i oceny zasadności ekonomicznej ochrony odgromowej w obiekcie podano w arkuszu drugim nomy PN-EN62305-2 dotyczącym zarządzania ryzykiem.

Ważńe: W drugiej edycji normy PN-EN 62305 (Ed 2.0) nastąpiły zmiany w treści dokumentu. Norma nie obejmuje już ochrony linii przyłączonych do obiektu. Zmianie uległy też niektóre poziomy ryzyka tolerowane RT.

Środki ochrony przed prądem piorunowym

Kolejnym ważnym zapisem zawartym w normie PN-EN 62305-1 jest krótka informacja na temat stosowanych środków ochrony. Szczegółowe informacje dotyczące wymagań w zakresie wymiarów, parametrów, sposobu montażu zostały zawarte w arkuszach PN-EN 62305-3 oraz PN-EN 62305-4. W celu minimalizacji ryzyka R odpowiadającego danemu typowi szkody L norma przewiduje zastosowanie następujących  środków  ochrony:

  • Środki ochrony służące redukcji zagrożenia porażeniem wskutek napięć dotykowych i krokowych

Przewody odprowadzające urządzenia piorunochronnego na zewnątrz obiektu mogą być w pewnych warunkach niebezpieczne dla zdrowia i życia ludzi lub zwierząt. Przebywanie w pobliżu przewodu odprowadzającego (w strefie do ok. 3 m) może w przypadku wystąpienia wyładowania piorunowego doprowadzić do porażenia – wskutek występowania napięć dotykowych i krokowych. Możliwymi środkami ochrony są w tym przypadku: 

    • odpowiednie izolowanie dostępnego przewodu odprowadzającego, 
    • ekwipotencjalizacja za pomocą uziomu kratowego; 
    • fizyczne ograniczenie dostępu do elementów urządzenia piorunochronnego oraz stosowanie napisów (tablic) ostrzegawczych.
    • piorunochronne połączenie wyrównawcze (EB).

Zmniejszenie zagrożenia życia może również nastąpić w przypadku zastosowanie detektorów burzowych i spełnienia związanych z tym warunków. Szczegóły związane z doborem środków ochrony przed porażeniem zostały przedstawione w trzecim arkuszu normy PN-EN 2305-3.

Rys. 3. Przykłady tablic ostrzegających  przed zbliżaniem się do urządzenia piorunochronnego podczas burzy (mat. firmy Lobograf)

  • Środki ochrony służące redukcji szkód fizycznych spowodowanych wyładowaniem piorunowym

W odniesieniu do obiektów ochrona jest realizowane poprzez zastosowanie urządzenia piorunochronnego (LPS), którego zadaniem jest przechwycenia wyładowania piorunowego w obiekt i bezpieczne odprowadzenie prądu piorunowego do ziemi. LPS obejmuje następujące elementy:
– zwody;
– przewody odprowadzające;
– uziemienie;
– piorunowe połączenia wyrównawcze – eliminujące możliwość pojawienia się niebezpiecznego  iskrzenia w poddawanym ochronie obiekcie;
– elektryczną izolację (odstępy separacyjne) od zewnętrznego LPS.
Ważne jest również uwzględnienie środków ograniczających rozwój i rozprzestrzenianie się pożaru w obiekcie (np. ognioodporne przedziały, gaśnice, hydranty, alarmy pożarowe i instalacje gaśnicze). Zastosowanie tych środków może zmniejszyć szkodę fizyczną. Szczegóły związane z wykonywaniem LPS i połączeń wyrównawczych oraz wymaganiami dotyczącymi doboru przewodów i ograniczników przepięć zapisano w arkuszu trzecim normy PN-EN 62305-3.

  • Środki ochrony służące minimalizacji awarii urządzeń elektrycznych i elektronicznych wewnątrz obiektu

Możliwymi środkami ochrony przed awarią wewnętrznych układów i urządzeń, wywołaną przez oddziaływanie impulsu elektromagnetycznego (LEMP) lub udary przenoszone przez wchodzące do wnętrza obiektu linie, są m.in.:

    • uziemianie i wyrównywanie potencjałów w obiekcie;
    • ekranowanie magnetyczne;
    • trasowanie linii;
    • oddzielające sprzęgi (interfejsy);
    • ochrona instalacji za pomocą skoordynowanego układu PD.

Również skutecznym środkiem ochrony przed awarią powodowaną przepięciami jest zastosowanie urządzeń i kabli o zwiększonej napięciowej wytrzymałości izolacji. W przypadku gdy mamy do czynienia ze źródłem uszkodzeń S1 (bezpośrednie wyładowanie w obiekt), to zaprezentowane powyżej środki ochrony są skuteczne jedynie w obiektach chronionych za pomocą LPS. Szczegóły związane z doborem środków ochrony przed oddziaływaniem LEMP zostały przedstawione w czwartym arkuszu normy PN-EN 62305-4.

Ważne: W drugiej edycji normy PN-EN 62305 (Ed 2.0) nastąpiły zmiany w treści dokumentu (względem wersji z roku 2006) dotyczące stosowanych środków ochrony. W normie zdefiniowane zostały parametry prądu pioruna oraz określono poziomy ochrony odgromowej, dla których następuje redukcja uszkodzeń i związanych z nimi strat pośrednich przy zastosowaniu odpowiednich środków ochrony.

Poziomy ochrony odgromowej LPL

Norma EN-62305 wprowadza cztery poziomy (od I do IV) ochrony odgromowej LPL (lightning protection level). Dla każdego LPL ustalony został  zakres maksymalnych i minimalnych parametrów prądu pioruna. Maksymalne i minimalne wartości parametrów prądu pioruna dla różnych poziomów ochrony podano w Tabeli 2.

Tabela 2. Maksymalne i minimalne wartości parametrów prądu pioruna dla różnych poziomów ochrony

LPL

I

II

III

IV

Wartość szczytowa
pierwszy udar dodatni (kA)

200

150

100

100

Minimalny prąd szczytowy (kA)

3

5

10

16

Promień toczącej się kuli (m)

20

30

45

60

Maksymalne wartości parametrów prądu pioruna mają zastosowanie podczas projektowania ochrony odgromowej obiektów, a w szczególności przy:

  • doborze przekroju przewodów,
  • doborze grubości blachy – odkreślaniu zdolności prądowej SPD,
  • określaniu bezpiecznego odstępu separacyjnego, zapobiegającego przeskokom iskrowym,
  • określaniu parametrów probierczych symulujących skutki oddziaływania pioruna na elementy urządzenia piorunochronnego (szczegóły zawarto w załączniku D do normy PN-EN 62305-1).

Minimalne wartości amplitudy prądu pioruna wykorzystywane są przy wyznaczaniu promienia toczącej się kuli w celu określenia strefy ochrony odgromowej dla różnych poziomów LPL.
W przypadku tej metody właściwe rozmieszczenie układu zwodów zostaje osiągnięte, gdy żaden punkt przestrzeni poddawanej ochronie nie ma bezpośredniego kontaktu z powierzchnią kuli o promieniu r. Kula o promieniu r (zależnym od przyjętego poziomu LPL) jest toczona wokół i ponad całym obiektem, aż do styku z płaszczyzną ziemi lub z dowolnym stałym budynkiem albo obiektem będącym w kontakcie z płaszczyzną ziemi i zdolnym do działania jak przewód piorunochronny. Punkt uderzenia pioruna może wystąpić tam, gdzie tocząca się kula dotyka obiektu i przy takich punktach jest wymagana ochrona za pomocą zwodów. Przykład zastosowania metody toczącej się kuli pokazano na rysunku 4.

Rys. 4. Wyznaczanie miejsc narażonych na wyładowanie bezpośrednie metodą toczącej się kuli

W oparciu o wartości maksymalne prądu pioruna następuje również dobór SPD (Typ 1.) montowanych na wejściu instalacji elektrycznej do obiektu. W pierwszym przybliżeniu zakłada się, że 50% całego prądu pioruna wnika w uziemienie systemu ochrony piorunochronnej rozpatrywanego budynku. Pozostałe 50% prądu dzieli się pomiędzy instalacje wprowadzone do budynku, takie jak zewnętrzne elementy przewodzące, linie elektryczne i telekomunikacyjne itd. W najgorszym przypadku (gdy pozostałe instalacje wykonane są z materiałów nieprzewodzących – np. rury PVC, światłowód) połowa prądu piorunowego wpłynie do instalacji elektrycznej. Zakładając, że obiekt posiada przyłącz trójfazowy (4 żyły – trzy fazowe i jedna neutralna) w każdym przewodzie można spodziewać się prądu o wartości maksymalnej przedstawionej w tabeli 3.

Tabela 3. Dobór ograniczników przepięć w zależności od poziomu ochrony LPL

LPL

I

II

III

IV

Wartość prądu w przewodzie (kA)

25

18,75

12,5

12,5

Rys. 5. Dobór ograniczników przepięć na wejściu instalacji do budynku

W rzeczywistości, w szczegółowych obliczeniach należy uwzględnić różne czynniki mogące mieć wpływ na rozpływ prądu piorunowego w instalacji (długości linii kablowych, dodatkowe uziemienia przewodu neutralnego, równolegli odbiorcy itd.). Szczegółowe informacje na temat doboru ograniczników przepięć zawarte zostały w czwartym arkuszu normy EN-62305-4.

Składowe piorunowych wyładowań doziemnych

W normie zawarto także informacje na temat kształtu oraz składowych piorunowych wyładowań doziemnych. Istnieją dwa podstawowe typy wyładowań:

  • wyładowania odgórne inicjowane przez lider odgórny z chmury do ziemi;
  • wyładowania oddolne inicjowane przez lider oddolny z uziemionego obiektu do chmury. Wyładowania odgórne występują przeważnie w terenie płaskim i uderzają w niższe obiekty.

Wyładowania oddolne stają się dominujące, gdy mamy do czynienia z obiektami wyższymi lub eksponowanymi. Należy pamiętać, że wraz ze wzrostem wysokości obiektu rośnie też prawdopodobieństwo bezpośredniego uderzenia w ten obiekt.

Rys. 6. Podstawowe typy wyładowań piorunowych

W przypadku pierwszego udaru dodatniego przyjmuje się, że kształt impulsu odpowiada przebiegowi przedstawionemu na rys. 7. Czas trwania czoła impulsu wynosi T1 =10 s, natomiast czas opadania do półszczytu na grzbiecie impulsu T2 = 350 s. Ten kształt udaru wykorzystywany jest do oceny oddziaływania pioruna na elementy urządzenia piorunochronnego oraz SDP typu 1.

Rys. 7. Kształt udaru odwzorowujący dla potrzeb badawczych pierwszy udar dodatni

W większości przypadków wyładowanie doziemne składa się z sekwencji następujących po sobie kilku udarów – pierwszego udaru, po którym następuje szereg dalszych krótkich udarów (o mniejszej wartości szczytowej niż pierwszy), albo pierwszego udaru, po którym następuje kombinacja długich i kolejnych krótkich udarów.

Strefowa koncepcja ochrony

Norma PN-EN 62305-1 wprowadza pojęcie strefowej koncepcji ochrony (LPZ – lighting protection zone) w celu określaniu doboru wymaganych środków ochrony w granicach struktury chronionego obiektu. Podział obiektu na strefy LPZ, związany z ochroną przed uszkodzeniami fizycznymi obiektu, pokazano na rys. 8. Szczegóły dotyczące projektowania i wykonywania urządzenia piorunochronnego zawarto w arkuszu trzecim normy PN-EN-62305-3.

Rys. 8. Podział obiektu na strefy LPZ zgodny z PN-EN 62305-3 (przed uszkodzeniami fizycznymi obiektu)

Należy pamiętać, że również ochrona przed LEMP jest oparta na koncepcji stref ochrony odgromowej LPZ.

Rys. 9. Podział chronionego obiektu na strefy LPZ związany z ochroną przed działaniem LEMP (wg PN-EN 62305-4)

 Norma zwraca uwagę na to, że zastosowane do ochrony przed działaniem prądu pioruna środki będą skuteczne pod warunkiem że:

  • spełniają wymagania właściwych norm,
  • są w stanie wytrzymywać naprężenia spodziewane w miejscu ich zainstalowania.

Dlatego w załączniku do arkusza pierwszego normy PN- EN 62305-1 określono podstawowe parametry stosowane w laboratoriach do symulacji skutków oddziaływań piorunowych. Załącznik ten dotyczy wszystkich elementów LPS narażonych na przepływ całości lub większej części prądu pioruna i powinien być stosowany w powiązaniu z normami określającymi wymagania i próby dotyczące każdego właściwego elementu LPS. Urządzenia piorunochronne (LPS) są wykonane z różnych oddzielnych elementów, z których każdy ma szczególne zadanie w obrębie urządzenia. Właściwości elementów i swoiste naprężenia, którym są one poddawane przy przepływie prądu piorunowego, wymagają specjalnego potraktowania przy ustalaniu prób laboratoryjnych, w celu sprawdzenia ich wykonania.
Dodatkowe informacje na temat wymagań, jakie muszą spełniać elementy LPS  oraz SPD, zawarte zostały w dalszych arkuszach normy PN-EN-62305-3. Zgodnie z nimi elementy LPS powinny przejść testy i spełniać wymagania zawarte w wieloarkuszowej normie PN-EN 62561. SPD zastosowane do realizacji piorunowych połączeń wyrównawczych oraz ochrony przed LEMP winny spełniać wymagania odpowiednich arkuszy normy PN-EN 61643.

Projektant i wykonawca LPS powinni zweryfikować przydatność użytych materiałów, żądając od producentów certyfikatów probierczych i raportów, wykazujących, że oferowane materiały przeszły pomyślnie próby jakości zgodnie z odpowiednią normą.

Przyrost temperatury przewodów

Ostatnim omawianym zagadnieniem, istotnym z punktu widzenia procesu projektowania LPS, jest zagadnienie przyrostów temperatury przewodów, wykonanych z różnych materiałów, w zależności od przepływającego przez nie udaru prądowego i powierzchni przekroju przewodu. W normie PN-EN 6250-1 przedstawiono w postaci tabelarycznej zestawienie przyrostów temperatury przewodów o różnych przekrojach w zależności narażenia piorunowego (dla różnych klas LPL).

Tabela 4. Przyrost temperatury przewodów o różnych przekrojach w zależności od przepływającego przez nie udaru piorunowego

Przekrój

przewodu

mm2

Materiał

 

Aluminium

Stal miękka

Miedź

Stal nierdzewna*

 

Klasa LPL

Klasa LPL

Klasa LPL

Klasa LPL

 

III-IV

II

I

III-IV

II

I

III-IV

II

I

III-IV

II

I

4

10

564

169

542

16

146

454

1120

56

143

309

25

52

132

283

211

913

22

51

98

940

50

12

28

52

37

96

211

5

12

22

190

460

940

100

3

7

12

9

20

37

1

3

5

45

100

190

* Austeniczna niemagnetyczna.

 

Nagrzewanie rezystancyjne przewodów występuje przy przepływie prze nie części prądu pioruna, dlatego minimalna powierzchnia przekroju przewodów musi być na tyle duża, aby nie dopuścić do podgrzania przewodów do temperatury, która mogłaby stwarzać zagrożenie pożarowe dla otoczenia.

Ważne: Przykład użycia danych z tablicy można pokazać na przykładzie małych obiektów wyposażonych w LPS i posiadających uziomy typu A. Jeżeli rezystancje uziemienia pojedynczych uziomów różnią się więcej niż dwukrotnie, należy przyjąć współczynnik podziału prądu piorunowego kc=1.

W tym przypadku dla obiektu z przyjętą III klasą LPL przepływy prądu pioruna przez przewód odprowadzający wykonany z drutu aluminiowego o przekroju 50mm2 spowoduje wzrost temperatury o 12 stopni. Natomiast gdyby obiekt posiadał I klasę LPL i przewody odprowadzające wykonane byłyby ze stali, to projektant winien uwzględnić możliwy wzrost temperatury o ok. 211 stopni.
W takim przypadku należy również dobrać odpowiednie złączki i wsporniki odporne na przepływ prądu piorunowego i ewentualny wzrost temperatury z tym związany.

mgr inż. Krzysztof Wincencik, Dehn Polska

Zaloguj się, aby dodać komentarz

Nie masz konta? Zarejestruj się »
Array ( [docId] => 41770 )
Array ( [docId] => 41770 )