Ochrona odgromowa budynków (część 2)

Izolowany zewnętrzny LPS może być również brany pwod uwagę, gdy wrażliwość zawartości obiektu zobowiązuje do redukcji pola elektromagnetycznego promieniowanego przez impuls prądu pioruna płynącego w przewodzie odprowadzającym. Naturalne elementy wykonane z materiałów przewodzących, które występują w obiekcie, mogą być użyte jako części LPS. Zewnętrzny LPS składa się z:

• zwodów,
• przewodów odprowadzających,
• uziemienia.

Zwody

Zwody mogą być utworzone przez dowolną kombinację następujących elementów: prętów (włącznie z wolno stojącymi masztami), przewodów zawieszonych oraz przewodów w układzie oczkowym. Elementy układu zwodów instalowanych na dachu powinny być umieszczane w narożnikach, wystających punktach i krawędziach (szczególnie na górnym poziomie każdej fasady), zgodnie z następującymi metodami:

• kąta ochronnego,
• toczącej się kuli,
• oczkowej.

Metoda toczącej się kuli jest odpowiednia w każdym przypadku. Metoda kąta ochronnego jest odpowiednia dla budynków o prostych kształtach, ale podlega ograniczeniom wysokości zwodu (tab. 1.). Metoda oczkowa jest odpowiednia tam, gdzie ochronie są poddawane płaskie powierzchnie. Wartości kąta ochronnego, promienia toczącej się kuli i wymiarów siatki zwodów dla każdej klasy LPS podano w tabeli 1.

Rozmieszczanie zwodów przy zastosowaniu metody kąta ochronnego

Przestrzeń chroniona przez zwód pionowy ma kształt okrągłego stożka z wierzchołkiem umieszczonym na osi zwodu. Określa ją kąt ochronny α, równy połowie kąta wierzchołkowego stożka i zależny od klasy LPS oraz od wysokości zwodu, jak podano w tabeli 1. oraz na rysunku 1. i rysunku 2. Przestrzeń chroniona przez zwód poziomy wysoki wynika z nałożenia przestrzeni chronionych przez pozorne zwody pionowe, mające wierzchołki na zwodzie poziomym. Przykład przestrzeni chronionej takim zwodem jest pokazany na rysunku 3.

Rozmieszczanie zwodów przy zastosowaniu metody toczącej się kuli

Przy stosowaniu metody toczącej się kuli, rozmieszczenie zwodów jest właściwe, jeżeli żaden punkt obiektu poddawanego ochronie nie styka się z kulą o promieniu r, toczoną wokół i po górnej powierzchni obiektu we wszystkich możliwych kierunkach, przy czym promień r zależy od klasy LPS (tab. 1.). W ten sposób kula dotyka jedynie układu zwodów, jak pokazano na rysunku 4.

Rozmieszczanie zwodów przy zastosowaniu metody oczkowej

Metoda oczkowa jest właściwa dla poziomych i nachylonych dachów bez krzywizny oraz do ochrony płaskich bocznych powierzchni przed wyładowaniami bocznymi. Przy ochronie powierzchni płaskich odpowiednia jest sieć zwodów poziomych, obejmująca całą powierzchnię z uwzględnieniem następujących postanowień:

a) przewody zwodów są układane:

• na krawędziach dachu,
• na częściach wystających dachu,
• na kalenicy dachu, jeżeli nachylenie dachu przekracza 1/10. W tym przypadku, zamiast sieci mogą być stosowane równoległe przewody zwodów, pod warunkiem, że odległość między nimi nie jest większa niż wymagana szerokość oka,

b) wymiary oka sieci zwodów nie są większe niż podane w tabeli 1.,

c) sieć zwodów jest ukształtowana tak, że zawsze prąd pioruna będzie mógł odpłynąć do uziomu przez co najmniej dwie różne drogi przewodzące,

d) żadna instalacja metalowa nie wystaje na zewnątrz przestrzeni chronionej przez układ zwodów,

e) przewody układu zwodów przebiegają po możliwie najkrótszej i bezpośredniej drodze.

Zwody do ochrony przed wyładowaniami bocznymi w wysokie obiekty

Przy obiektach wyższych niż 60 m mogą pojawiać się wyładowania boczne, zwłaszcza trafiające w narożniki i krawędzie obiektu. Układ zwodów powinien być zainstalowany tak, aby ochronił górną część wysokich obiektów (tj. 20% wysokości obiektu od góry) i umieszczonych na niej urządzeń. Reguły rozmieszczania zwodów na dachu mają zastosowanie do zwodów instalowanych na ścianach górnych części obiektów. Ponadto w przypadku obiektów wyższych niż 120 m powinny być chronione wszystkie części, które mogą być zagrożone powyżej 120 m.

Instalowanie zwodów

Zwody nieizolowane od poddawanego ochronie obiektu mogą być instalowane jak następuje:

• jeżeli dach jest wykonany z materiału niepalnego, to zwody mogą być umieszczane na powierzchni dachu,
• jeżeli dach jest wykonany z materiału łatwo palnego, to zwody należy instalować w odległości 0,10 m od powierzchni dachu, a dla dachów krytych strzechą ta odległość powinna wynosić 0,15 m,
• łatwo palne części obiektu poddawanego ochronie nie powinny stykać się z elementami zewnętrznego LPS i nie powinny być umieszczone pod jakąkolwiek metalową powłoką dachu, która może być przebita przez wyładowanie piorunowe.

Wykorzystanie części przewodzących obiektu jako zwody

Następujące części przewodzące obiektu można wykorzystać jako naturalne elementy zwodów i części LPS:

a) metalowe warstwy pokrycia obiektu poddawanego ochronie pod warunkiem, że:

• galwaniczna ciągłość połączeń między różnymi częściami jest trwała (np. jest wykonana za pomocą twardego lutowania, spawania, zgniatania, ząbkowania, skręcania lub śrubowania),
• grubość metalowej warstwy jest nie mniejsza niż wartość t’ podana w tabeli 2., jeżeli jest dopuszczalne przebicie tej warstwy lub nie ma niebezpieczeństwa zapalenia pod spodem łatwo palnych substancji,
• grubość metalowej warstwy jest nie mniejsza niż wartość t podana w tabeli 2., jeżeli jest konieczne przeciwdziałanie przebiciu tej warstwy lub wystąpieniu problemów związanych z punktowym jej przegrzaniem, 
• nie są one pokryte materiałem izolacyjnym (cienkie pokrycie farbą ochronną lub asfaltem o grubości 1 mm, lub warstwą PVC grubości 0,5 mm nie jest uznawane za izolator),

b) metalowe elementy konstrukcji dachu pod spodem niemetalowego pokrycia dachu, pod warunkiem, że pokrycie to może być wyłączone z obiektu poddawanego ochronie,

c) metalowe części, takie jak: ozdoby, balustrady, rury, obróbki metalowe itp., o przekrojach nie mniejszych niż podane dla standardowych elementów zwodów,

d) rury i zbiorniki metalowe na dachu, pod warunkiem, że są one wykonane z materiału o grubościach i przekrojach zgodnych z tabelą 4.,

e) rury i zbiorniki metalowe zawierające łatwo palne lub wybuchowe mieszaniny, pod warunkiem, że są one wykonane z materiału o grubości nie mniejszej niż odpowiednia wartość t podana w tabeli 2. i że wzrost temperatury wewnętrznej powierzchni w punkcie uderzenia nie stworzy zagrożenia oraz uszczelki w połączeniach kołnierzowych są metalowe lub ich strony są w inny sposób należycie złączone.

Przewody odprowadzające

Przewody odprowadzające powinny być rozmieszczone w taki sposób, aby od punktu uderzenia pioruna do ziemi:

• istniało kilka równoległych dróg prądowych,
• długość dróg prądowych była jak najmniejsza,
• wykonane były połączenia wyrównawcze z przewodzącymi częściami obiektu.

Boczne połączenia przewodów odprowadzających należy wykonywać na poziomie ziemi i w odstępach co 10 do 20 m wysokości zgodnie z tabelą 3. Zainstalowanie możliwie najwięcej przewodów odprowadzających w jednakowych odstępach wokół obwodu, wzajemnie połączonych przewodami otokowymi, redukuje prawdopodobieństwo wystąpienia niebezpiecznego iskrzenia i ułatwia ochronę wewnętrznych instalacji. Warunek ten jest spełniony w obiektach o szkieletach metalowych i w obiektach żelbetowych, w których wzajemnie połączona stal jest galwanicznie ciągła. Typowe odległości między przewodami odprowadzającymi i między przewodami otokowymi podano w tabeli 3.

Rozmieszczenie przewodów odprowadzających w izolowanym LPS

• Jeżeli zwody pionowe znajdują się na oddzielnych masztach (lub na jednym maszcie) niewykonanych z metalu lub z wzajemnie połączonej stali zbrojeniowej, to jest niezbędny przynajmniej jeden przewód odprowadzający dla każdego masztu. Dla masztów wykonanych z metalu lub z wzajemnie połączonej stali zbrojeniowej nie są wymagane żadne dodatkowe przewody odprowadzające.
• Jeżeli zwody składają się z zawieszonych wysoko przewodów poziomych (lub jednego przewodu), to niezbędny jest przynajmniej jeden przewód odprowadzający dla każdej konstrukcji wsporczej.
• Jeżeli zawieszone wysoko zwody poziome tworzą sieć oczkową, to jest niezbędny przynajmniej jeden przewód odprowadzający na każdym podpartym końcu zwodu.

Rozmieszczenie przewodów odprowadzających w nieizolowanym LPS

Liczba przewodów odprowadzających w każdym nieizolowanym LPS nie powinna być mniejsza niż dwa. Przewody powinny być równomiernie rozmieszczone wokół obwodu obiektu poddawanego ochronie przy uwzględnieniu architektonicznych i praktycznych ograniczeń. Typowe odległości pomiędzy przewodami odprowadzającymi podano w tabeli 3. Przewód odprowadzający powinien być instalowany w miarę możliwości przy każdym odsłoniętym narożniku obiektu.

Instalowanie przewodów odprowadzających

Przewody odprowadzające powinny być instalowane wzdłuż odcinków prostych i pionowych tak, aby zapewniły one najkrótszą i najbardziej bezpośrednią drogę do ziemi. Tworzenie pętli powinno być eliminowane. W przypadku sytuacji pokazanej na rysunku 5. odstęp S, mierzony w przerwie pomiędzy dwoma punktami przewodu, i długość l przewodu pomiędzy tymi punktami powinny odpowiadać postanowieniom podanym w punkcie dotyczącym izolacji elektrycznej zewnętrznego LPS. Przewody odprowadzające nie powinny być instalowane ani w rynnach, ani w rurach spustowych, nawet jeżeli są one przykryte materiałem izolacyjnym. Przewody odprowadzające LPS nieizolowane od obiektu poddawanego ochronie mogą być instalowane następująco:

• jeżeli ściana jest wykonana z materiału niepalnego, to przewody odprowadzające mogą być umieszczone na powierzchni ściany lub w ścianie,
• jeżeli ściana jest wykonana z materiału łatwo palnego, to przewody odprowadzające mogą być umieszczone na powierzchni ściany, pod warunkiem, że wzrost ich temperatury pod wpływem przepływu prądu pioruna nie jest niebezpieczny dla materiału ściany, 
• jeżeli ściana jest wykonana z materiału łatwo palnego, a wzrost temperatury przewodów odprowadzających jest niebezpieczny, to przewody odprowadzające powinny być umieszczone w taki sposób, aby odstęp między nimi a ścianą był zawsze większy niż 0,1 m.

Wsporniki montażowe mogą mieć kontakt ze ścianą. Jeżeli nie można zapewnić wymaganego odstępu przewodu odprowadzającego od palnej ściany, to przekrój przewodu nie powinien być mniejszy niż 100 mm².

Wykorzystanie części przewodzących obiektu jako przewodów odprowadzających

Następujące części przewodzące obiektu powinny być brane pod uwagę jako naturalne przewody odprowadzające:

• instalacje metalowe, pod warunkiem, że:
  • galwaniczna ciągłość pomiędzy różnymi częściami jest trwała,
  • ich wymiary są przynajmniej równe wymiarom dla standardowych przewodów odprowadzających. Rurociągi metalowe zawierające mieszaniny łatwo palne lub wybuchowe mogą być brane pod uwagę jako element naturalny przewodu odprowadzającego, jeżeli uszczelki w połączeniach kołnierzowych są metalowe lub ich strony są w inny sposób należycie złączone,
• zbrojenie stalowe w obiektach żelbetowych; galwaniczna ciągłość prętów stalowego zbrojenia powinna być zapewniona za pomocą zacisków lub spawania
• wzajemnie połączony stalowy szkielet konstrukcji obiektu; jeżeli metalowy szkielet konstrukcji obiektów stalowych lub wzajemnie połączona stal zbrojenia obiektu są wykorzystywane jako przewody odprowadzające, nie są konieczne przewody otokowe,
• elementy fasady jak: szyny profilowe i metalowe elementy konstrukcyjne fasad, pod warunkiem, że:
  • ich wymiary odpowiadają wymaganiom dla przewodów odprowadzających,
  • grubości warstw metalowych lub rur metalowych nie są mniejsze niż 0,5 mm,
  • jest zapewniona galwaniczna ciągłość ich połączeń w kierunku pionowym.

Zaciski probiercze

Przy połączeniu z uziomem każdy przewód odprowadzający, z wyjątkiem naturalnych przewodów odprowadzających zespolonych z uziomami fundamentowymi, powinien być wyposażony w zacisk probierczy. Do celów pomiarowych konstrukcja zacisku powinna zapewnić możliwość jego rozłączania za pomocą narzędzi. W normalnym użytkowaniu powinien być on zamknięty.

Uziemienie

Z punktu widzenia ochrony odgromowej preferowany jest prosty zintegrowany układ uziomów, odpowiedni do wszystkich zastosowań, tj. do ochrony odgromowej, układów elektroenergetycznych i układów telekomunikacyjnych. Zalecana jest mała rezystancja uziemienia, mniejsza niż 10 Ω.

Układy uziomów w warunkach ogólnych

W układach uziomów mają zastosowanie dwa podstawowe ich typy.

Układ uziomów typu A

Ten typ układu zawiera uziomy poziome i pionowe instalowane na zewnątrz obiektu poddawanego ochronie i przyłączane do każdego przewodu odprowadzającego. W układach typu A całkowita liczba uziomów nie powinna być mniejsza niż dwa. Minimalna długość każdego uziomu od podstawy każdego przewodu odprowadzającego jest równa: l1 dla uziomów poziomych lub 0,5 l1 dla uziomów pionowych (lub nachylonych), gdzie l1 jest minimalną długością uziomów poziomych pokazanych na rysunku 6. W przypadku uziomów złożonych składających się z uziomów poziomych i pionowych powinna być brana pod uwagę ich całkowita długość. Zmniejszenie rezystancji uziemienia przez wydłużenie uziomów jest praktycznie możliwe do 60 m. Minimalne długości określone na rysunku 6. mogą nie być brane pod uwagę pod warunkiem, że uzyskana została rezystancja uziemienia mniejsza niż 10 Ω.

Układ uziomów typu B

Ten typ układu zawiera albo uziom otokowy, ułożony na zewnątrz obiektu poddawanego ochronie i pozostający w kontakcie z ziemią na długości równej przynajmniej 80% całkowitej jego długości, albo uziom fundamentowy. Takie uziomy mogą również tworzyć kratę. W przypadku uziomu otokowego lub uziomu fundamentowego średni promień re obszaru objętego tym uziomem nie powinien być mniejszy niż wartość l1, tj.: r_e≥l₁.

Instalowanie uziomów

Uziom otokowy typu B powinien być zakopany wokół obiektu na głębokości nie mniejszej niż 0,6 m i w odległości 1 m od zewnętrznych ścian obiektu. Uziomy typu A powinny być instalowane przy usytuowaniu górnego ich krańca na głębokości nie mniejszej niż 0,6 m i zachowaniu najbardziej równomiernego ich rozkładu w celu zminimalizowania skutków sprzężenia elektrycznego w ziemi. Uziomy powinny być instalowane w sposób pozwalający na ich sprawdzanie podczas budowy. Głębokość osadzenia i typ uziomów powinny być tak dobrane, aby zminimalizowały skutki korozji oraz wysychania i zamarzania gruntu, a przez to ustabilizowały klasyczną rezystancję uziemienia.

Uziomy naturalne

Wzajemnie połączona stal zbrojeniowa w fundamentach betonowych lub inne odpowiednie metalowe struktury podziemne powinny być wykorzystywane jako uziomy. Jeżeli jako uziom jest wykorzystywane metalowe zbrojenie w betonie, to szczególną uwagę należy zwrócić na wzajemne połączenia stali zbrojeniowej, aby zapobiec mechanicznemu rozłupywaniu betonu. Preferowaną metodą do połączeń przewodzących prądy piorunów jest spawanie i łączenie zaciskowe. Połączenia zewnętrznych obwodów ze wzajemnie połączonym zbrojeniem powinny być wykonane za pomocą zacisków lub spawania. Spoiny w betonie powinny mieć długość równą co najmniej 30 mm. Krzyżujące się pręty powinny być wygięte przed spawaniem tak, aby na długości co najmniej 50 mm przebiegały równolegle.

Elementy LPS

Elementy LPS powinny wytrzymywać skutki elektromagnetyczne prądu pioruna i przewidywalne przypadkowe naprężenia bez ulegania uszkodzeniom. Materiał i kształt oraz minimalne wymiary przewodów i prętów na zwody i przewody odprowadzające są podane w tabeli 4. Przykłady wykorzystania elementów przewodzących obiektu jako naturalnych części urządzenia piorunochronnego przedstawiono w tabeli 5.

Wewnętrzny LPS

Wewnętrzny LPS powinien eliminować możliwość pojawienia się niebezpiecznego iskrzenia w poddawanym ochronie obiekcie wskutek przepływu prądu w zewnętrznym LPS lub w innych częściach przewodzących obiektu. Niebezpieczne iskrzenie między różnymi częściami może być wyeliminowane za pomocą połączeń wyrównawczych lub izolacji elektrycznej zewnętrznego LPS.

Połączenia wyrównawcze

Wyrównanie potencjałów jest uzyskiwane przez wzajemne połączenie LPS z:

• metalowymi częściami konstrukcyjnymi,
• metalowymi instalacjami,
• przyłączonymi do obiektu zewnętrznymi przewodzącymi częściami i liniami.

Środkami wzajemnych połączeń mogą być: przewody łączące, tam, gdzie ciągłość galwaniczna połączeń nie jest zapewniona w sposób naturalny, lub urządzenia do ograniczania przepięć (SPD), tam, gdzie bezpośrednie połączenie za pomocą przewodów łączących nie jest możliwe. Urządzenia do ograniczania przepięć (SPD) powinny być instalowane w taki sposób, aby mogły być sprawdzane. W przypadku izolowanego zewnętrznego LPS połączenie wyrównawcze powinno być wykonane jedynie na poziomie ziemi. W przypadku zewnętrznego LPS, który nie jest izolowany, połączenie wyrównawcze powinno być instalowane w części przyziemnej obiektu oraz tam, gdzie nie są spełnione wymagania dotyczące odstępów izolacyjnych.

Dla budynków wyższych niż 30 m zaleca się stosowanie połączeń wyrównawczych na poziomie 20 m i co 20 m powyżej tego poziomu. Galwanicznie ciągłe przewodzące części obiektu mogą być użyte do realizacji połączeń wyrównawczych. Jeżeli w rurociągach gazowych i wodnych występują wstawki izolacyjne, to powinny być one mostkowane za pomocą SPD.

Izolacja elektryczna zewnętrznego LPS

Izolacja elektryczna pomiędzy zwodem lub przewodem odprowadzającym a konstrukcyjnymi częściami metalowymi i instalacjami metalowymi może być uzyskana przez zapewnienie pomiędzy częściami odstępu d większego niż wymagany odstęp izolacyjny S:

gdzie:

k_j – zależy od wybranej klasy LPS (tab. 6.),

k_c – zależy od prądu pioruna płynącego w przewodach odprowadzających (tab. 7.),

k_m – zależy od materiału izolacji elektrycznej (tab. 8.),

l – długość, w [m], mierzona wzdłuż zwodu lub przewodu odprowadzającego od punktu, w którym jest rozpatrywany odstęp izolacyjny, do punktu najbliższego połączenia wyrównawczego.

W obiektach z metalowym lub ciągłym galwanicznie szkieletem zbrojenia betonu odstęp izolacyjny nie jest wymagany.

Urządzenia do ograniczania przepięć SPD

Skuteczną ochronę przed przepięciami powodującymi awarie urządzeń wewnętrznych uzyskuje się za pomocą skoordynowanych SPD, ograniczających napięcia poniżej znamionowej wytrzymałości udarowej układu poddawanego ochronie. Jeżeli w tym samym obwodzie są instalowane, jeden za drugim, dwa lub więcej SPD, to powinny być one skoordynowane tak, aby nastąpił między nimi podział energii zgodny z ich zdolnością do jej pochłaniania. W celu zapewnienia skutecznej koordynacji niezbędne jest uwzględnienie:

• właściwości poszczególnych SPD podawanych przez producenta,
• zagrożenia w miejscu zainstalowania SPD,
• charakterystyki urządzeń poddawanych ochronie.

Podstawowe zagrożenie piorunowe wiąże się z trzema typowymi udarami prądu pioruna:

• z pierwszym udarem krótkotrwałym,
• z następnymi udarami krótkotrwałymi,
• z udarem długotrwałym.

W koordynacji SPD, rozpatrywanej w kierunku odbiorów, czynnikiem dominującym przy rozważaniu podziału energii jest pierwszy udar krótkotrwały. Prąd pierwszego udaru krótkotrwałego bezpośredniego wyładowania piorunowego może być symulowany przy użyciu fali o kształcie 10/350 µs. Koordynacja energetyczna jest osiągnięta, jeżeli część energii, na której oddziaływanie każdy SPD jest narażony, jest mniejsza lub równa energii przez niego wytrzymywanej. Wytrzymywana energia powinna być ustalona na podstawie:

• badania elektrycznego,
• informacji technicznej dostarczonej przez producenta SPD.

Koordynacja pomiędzy SPD może być osiągnięta przy użyciu jednej z następujących metod:

• koordynacja charakterystyk napięciowo-prądowych (bez elementów odsprzęgających),
• koordynacja wykorzystująca specjalne elementy odsprzęgające (rezystancyjne lub indukcyjne),
• koordynacja wykorzystująca wyzwalane SPD (bez elementów odsprzęgających).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!