CC BY
168
mgr inz. Artur DLUZNIEW SKI mgr inz. Lukasz JOHN Instytut Kolejnictwa
OCHRONA ODGROMOWA OBIEKTOW ZABYTKOWYCH
Lightning protection in the monumental buildings
Streszczenie
W artykule omowiono problematyk^ projektowania zewn^trznej instalacji odgromowej instalowanej na budynkach zabytkowych, w ktorych znajduj^ si^ urz^dzenia elektroniczne. Ochrona obiektu polega na wyposazeniu go w zewn^trzn^ instalacji odgromow^, ktora b^dzie obejmowala rowniez instalacje radiowe na zewn^trz budynku oraz pelne zabezpieczenie wszystkich urz^dzen elektronicznych zainstalowanych wewn^trz obiektu po stronie zasilania. Jako przyklad wymieniono stacjonarne obiekty kolejowe. Opisano najistotniejsze zrodlo zaburzen elektromagnetycznych w postaci wyladowan atmosferycznych oraz zagrozenie pozarowe, jakie jest zwi^zane z tego rodzaju zjawiskiem. Przedstawiono elementy skladowe zewn^trznej instalacji odgromowej oraz zasady jej doboru. Opisano sposob projektowania zewn^trznej instalacji odgromowej w odniesieniu do obowi^zuj^cych norm. Uwzgl^dniono rowniez problem ochrony obiektow przed pozarami powstalymi w wyniku wyladowan atmosferycznych.
Summary
In this article discusses the problem of designing external lightning protection is installed on the monumental buildings, which are electronic equipment. The structure’s protection consists in the equipment of the external earthling installation, which also includes the radio installations outside the buildings, and the full protection of all electronic equipment installed inside the structure, both on the side of the power supply. As an example of railways stationary objects. Describes the most important source of electromagnetic disturbances in the form of lightning and a fire danger, which is associated with this type of phenomenon. Presents the components of external lightning protection systems and rules for its selection. Describes how to design the outer lightning protection systems for existing standards. Account is also the problem of protection of buildings against fire, engendered by lightning.
Slowa kluczowe: pr^d udarowy, zaburzenie elektromagnetyczne, zrodlo zaburzen Keywords: percussive current, electromagnetic disturbance, source disturbance
Wst^p
W ostatnim okresie obserwuje si? wzrost nakladow finansowych ponoszonych na modernizacj? wielu obiektow zabytkowych. W toku realizacji tego procesu pojawia si? pytanie, co zrobic ze starymi zdewastowanymi obiektami. Do takich obiektow mozna zaliczyc mi?dzy innymi rowniez zabytkowe obiekty kolejowe np.: nastawnie, dworce oraz przystanki kolejowe, ktore s^. niejednokrotnie unikatowymi obiektami na skal? kraju, a nawet w niektorych przypadkach na skal? europejsk^.. Przykladem moze tu byc dworzec kolejowy w Przemyslu. Niekiedy obiekty takie s^. wykonane z drzewna i dotrwaly do naszych czasow tylko dzi?ki szcz?sliwemu zbiegowi okolicznosci. Jedyn^. prawidlow^. odpowiedzi^ na postawione powyzej pytanie jest podj?cie decyzji o koniecznosci odrestaurowania takich obiektow, pami?taj^c nie tylko o wiernym ich odtworzeniu, ale rowniez o prawidlowym i estetycznym zaprojektowaniu instalacji odgromowej. W przypadku obiektow budowlanych, na ktorych jest juz zainstalowania zewn?trzna instalacji odgromowa nalezy sprawdzic jej parametry i ewentualnie j^. zmodernizowac. Jest to motywowane przede wszystkim stanem uziomu oraz tym, ze w chwili projektowania calosci obiektu nie przewidywano, ze w przyszlosci w tych obiektach b?d^ instalowane urz^dzenia elektroniczne. W takich obiektach coraz cz?sciej instaluje si? bardzo zlozone urz^dzenia elektroniczne (np. sygnalizacja przeciwwlamaniowa, siec teleinformatyczna).
Urz^dzenia te s^. niezwykle wrazliwe na zaburzenia elektromagnetyczne o duzej energii. Brak instalacji odgromowej lub jej zly stan moze doprowadzic nie tylko do zniszczenia urz^dzen elektronicznych znajduj^cych si? w obiekcie, ale rowniez do zniszczenia calego obiektu w przypadku wyst^pienia pozaru. Zabytkowe obiekty wymagaj^. koniecznie nowego spojrzenia na tematyk? kompleksowej ochrony przed zaburzeniami elektromagnetycznym o duzej energii, poniewaz znaczna cz?sc z nich moze byc nadal eksploatowana.
Tematyka ta jest niezwykle trudna z powodu specyficznej lokalizacji niektorych obiektow (w tym rowniez kolejowych), a takze z powodu ich rozmieszczenia na rozleglym i najcz?sciej otwartym terenie. Cechuje je zatem duze narazenie na wyladowania atmosferyczne, ktore mog^. byc przyczyn^. powstania pozaru w zabytkowym obiekcie wykonanym w technologii drewnianej. Obiekty takie jak nastawnie, dworce kolejowe zlokalizowane s^. na terenach malo zurbanizowanych. Niektore z nich s^. nadal wykorzystywane zgodnie z przeznaczeniem i na ich dachach niekiedy s^. instalowane zespoly
anten, jak w przypadku obiektow kolejowych. Wspomniane powyzej zespoly zwi?kszaj^. dodatkowo narazenie na bezposrednie wyladowanie atmosferyczne.
Podczas modernizacji takich obiektow nalezy dodatkowo pami?tac o zapewnieniu warunkow dla niezawodnego dzialania systemow elektronicznych tam zainstalowanych.
Zagrozenia piorunowe
Sposrod kilku rodzajow zaburzen elektromagnetycznych najcz?sciej wyst?puj^ce i najgrozniejsze s^. zaburzenia powstale na skutek wyladowan atmosferycznych. Maj^. one duze znaczenie ze wzgl?du na mozliwosc uszkodzenia urz^dzen elektronicznych i charakteryzuj^. si? rozleglym obszarem oddzialywania, nawet o promieniu 1 km. Wyladowanie w niezabezpieczony obwod moze spowodowac mi?dzy innymi: zablokowanie elektronicznie sterowanych ukladow zwrotnicowych, uszkodzenia urz^dzen informacji pasazerskiej instalowanej na dworcach, przerwy w pracy urz^dzen l^cznosci, uszkodzenia systemow alarmowych i informatycznych. Bl?dne dzialanie systemow alarmowych lub jego uszkodzenie moze spowodowac zagrozenie zycia ludzkiego w przypadku powstania pozaru, ktory nie b?dzie sygnalizowany.
W kanale wyladowania atmosferycznego moze wyst^pic nawet kilka wyladowan w odst?pach od kilku do kilkunastu milisekund. Wartosci nat?zenia impulsowego pola elektromagnetycznego malej^ przy kolejnych wyladowaniach.
Wyladowania atmosferyczne mog^. miec charakter dodatni lub ujemny w zaleznosci od gromadzonego ladunku w chmurach. Okolo 90% wszystkich wyladowan ma charakter ujemny, natomiast wyladowania dodatnie charakteryzuj^ si? duzo wi?kszym nat?zeniem pr^du. Szczytowa wartosc pr^du moze wynosic 200 kA, a napi?cie w kanale wyladowania wst?pnego moze przekroczyc 10 milionow V. W zaleznosci od wielkosci pr^du plyn^cego w kanale wyladowania rozroznia si? cztery poziomy ochrony odgromowej. Najwyzszy pierwszy poziom ochrony zapewnia jej efektywnosc tylko w 98%, natomiast czwarty poziom ochrony zapewnia efektywnosc ochrony tylko na poziomie 80%. W budownictwie powszechnym stosowany jest 4 poziom ochrony, zgodnie z obowi^zuj^cymi normami. Zakres wielkosci pr^dow plyn^cych podczas wyladowan zawiera si? w przedziale od 10 do 200 kA. Podczas wyladowan wyst?puj^cych na terenie Polski najcz?sciej grupuje si? w okolicy 20 kA, co przedstawia histogram na rycinie 1.
25
"1
10
IJlUuu.
^ EB
Amplituda [kA]
5
0
Ryc. 1. Histogram prawdopodobienstwa wyladowania w funkcji amplitudy
Zrodlo: Praca wlasna na podstawie katalogu ochrony przeciwprzepi^ciowej firmy Relpol
W przypadku braku instalacji odgromowej wyladowanie o amplitudzie nawet 10 kA spowoduje pozar obiektu budowlanego. Chc^c ocenic stopien zagrozenia piorunowego urz^dzen elektrycznych i elektronicznych nalezy wzi^c pod uwag? nast^puj^ce mozliwosci:
• bezposrednie wyladowanie piorunowe w obiekt budowlany oraz w dochodz^ce do niego instalacje elektryczne, ktore w wi^kszosci przypadkow jest zrodlem pozaru;
• wyladowanie w s^siedztwie obiektu;
• wyladowanie w s^siedztwie linii zasilaj^cych i sygnalowych dochodz^cych do obiektu;
• bezposrednie wyladowanie do instalacji odgromowej obiektu.
Analizuj^c kazde z powyzszych zagrozen nalezy uwzgl^dnic podstawowe informacje
o intensywnosci burzowej obszaru, w ktorym znajduj^ si? obiekty. Intensywnosc burzow^. okreslaj^. tzw. mapy burzowe, na ktorych podawane s^. poziomy izokerauniczne (przeci?tne ilosci dni burzowych w roku). Do prawidlowego oszacowania izokeraunicznosci danego terenu pomocna moze byc mapa pokazana na ryc. 2.
Srednia liczba dni burzowych w roku
I
18 20 22 24 26 28 30 32
Ryc. 2. Intensywnosc burzowa w Polsce
Zrodlo: Halina Lorenc - Atlas klimatu polski
Zewn^trzna ochrona odgromowa
Zewn?trzna instalacja odgromowa jest podstawowym elementem zabezpieczaj^cym obiekt przed pozarem.
Urz^dzenie piorunochronne stanowi^. elementy zainstalowane na obiekcie lub zespol elementow konstrukcyjnych obiektu, ktore s^. odpowiednio pol^czone ze sob^. i wykorzystywane do odprowadzenia pr^du piorunowego. Sklada si? ono z nast?puj^cych cz?sci:
• zwodow przeznaczonych do bezposredniego przyjmowania pr^dow piorunowych wyladowan atmosferycznych;
• przewodow odprowadzaj^cych l^cz^cych zwody z przewodami uziemiaj^cymi lub uziomem fundamentowym;
• przewodow uziemiaj ^cych l^cz^cych przewody odprowadzaj ^ce z uziomami;
• uziomow, ktorymi s^. elementy metalowe zakopane w ziemi lub zespol elementow metalowych umieszczonych w gruncie i zapewniaj^cych z nim pol^czenie elektryczne.
Zadaniem zewn?trznej ochrony odgromowej jest zabezpieczenie obiektu budowlanego przed bezposrednim wyladowaniem atmosferycznym. Uderzenie piorunu w obiekt pozbawiony instalacji odgromowej spowoduje najcz?sciej:
• uszkodzenie pokrycia dachowego, jednej ze scian budynku oraz najcz?sciej powstanie pozaru;
• instalacji elektrycznej i zniszczenie aparatury przyl^czonej do niej w rozdzielni (popalone gniazda i powyrywane ze scian);
• zniszczenia urz^dzen elektrycznych, elektronicznych zainstalowanych w obiekcie i zasilanych z tej sieci elektrycznej.
Zewn?trzna instalacja odgromowa moze wyst?powac, jako naturalna instalacja lub sztuczna. Naturaln^ instalacj? odgromowa mog^. stanowic odpowiednio pol^czone ze sob^ elementy konstrukcji zelbetowej budynku. Tego typu instalacje mog^. byc wykorzystywane w nowo budowanych obiektach o konstrukcji zelbetowej, przy zalozeniu, ze ta konstrukcja ma zapewnion^ ci^glosc elektryczn^.. Takie rozwi^zanie moze poprawic walory estetyczne zabezpieczonego budynku i stanowi dodatkowo element ekranuj^cy znajduj^cych si? tam urz^dzen przed impulsowym polem elektromagnetycznym wywolanym wyladowaniem atmosferycznym np. w s^siedni obiekt. W wi?kszosci przypadkow jednak stosuje si? sztuczn^ instalacj? odgromowa
Wybor rodzaju instalacji odgromowej jest uzalezniony od charakteru i przeznaczenia obiektu. Decyzje o rodzaju rozwi^zania ochrony odgromowej powinna byc podj?ta na etapie projektowania danego obiektu. Na tym etapie nalezy koniecznie uwzgl?dnic poziom izokeraunicznosci terenu, przeznaczenie obiektu oraz stopien nasycenia urz^dzeniami elektronicznymi w przyszlosci. Natomiast w przypadku adaptacji starych obiektow nalezy tak zaprojektowac zewn?trzn^. instalacj? odgromowa, aby nie kolidowala ona z walorami estetycznymi obiektu i jednoczesnie zapewnila maksymalny poziom ochrony przeciwpozarowej.
Wybor rodzaju instalacji.
Do oceny ryzyka bezposredniego uderzenia piorunu w obiekt kolejowy, z uwzgl?dnieniem jego parametrow technicznych i konfiguracji dachu, zalecana jest metoda toczonej kuli opisana w normie [7].
Jak ilustruje rysunek 3 wirtualna kula o promieniu R toczona jest po dachu obiektu. Jej promien jest bezposrednio uzalezniony od poziomu ochrony. Im promien wirtualnej kuli b?dzie mniejszy, tym zapewniony b?dzie wyzszy poziom ochrony poniewaz ochrona b?dzie wtedy dokladniejsza. O wartosci promienia kuli decydowac b?dzie rowniez charakter obiektu
i rodzaj instalowanej aparatury elektronicznej. W przypadku rozbudowanej struktury dachu w wyniku dodatkowych instalacji urz^dzen klimatyzacyjnych i wentylacyjnych takich jak np. kominy nalezy zapewnic calkowit^. ochron? obiektu. Zaklada si?, ze w miejscach na powierzchni dachu, ktore nie s^. dotykane przez kul?, nie istnieje zagrozenie bezposrednim uderzeniem pioruna. W zaleznosci od konfiguracji calosci dachu mozna wyroznic na nim strefy ochronne powstaj^ce w wyniku toczenia wirtualnej kuli po dachu jak to pokazano na rycinie 3.
Ryc. 3. Tworzenie stref ochronnych przy pomocy tocz^cej si? kuli
Zrodlo: Alain Charoy - Zaklocenia w urz^dzeniach elektronicznych. Zasady i porady instalacyjne. Tom 4
Glownym elementem przyjmuj^cym pr^d piorunowy wyladowania atmosferycznego jest zwod. W zaleznosci od konfiguracji dachu obiektu stosuje si? zwody:
• pionowe o k^cie ochronnym uzaleznionym od wysokosci zwodu;
• poziome w formie siatki o okach zwi^zanych bezposrednio z poziomem ochrony;
• o konstrukcji mieszanej zwodow pionowych i poziomych, ktora jest uzalezniona od konfiguracji dachu.
Rozwi^zania konstrukcyjne elementow zewn^trznej instalacji odgromowej Zwody
Podstawowym zadaniem zwodow jest zapewnienie bezawaryjnego przeplywu pr^du piorunowego. Zwodami naturalnymi mog^. byc przewodz^ce elementy konstrukcyjne obiektu. Natomiast zwodami sztucznymi s^. elementy sluz^ce tylko i wyl^cznie w celu ochrony odgromowej. Zwody sztuczne mog^. skladac si? z dowolnej kombinacji pr?tow, rozpi?tych przewodow lub siatki skladaj^cej si? z wielu przewodow.
Zwod niezaleznie od rodzaju jest tym elementem, ktory jako pierwszy ma bezposredni kontakt z wyladowaniem atmosferycznym. W wyniku udaru pr^dowego poprzez element sieci zwodu nast^pi przeplyw pr^du piorunowego do ziemi w obwodzie o najnizszej
rezystancji, a zatem nie nast^pi rownomierny rozplyw pr^du w calej siatce zwodow. Ta cz?sc, przez ktor^ poplynie najwi?ksza cz?sc pr^du, narazona b?dzie na znaczne podwyzszenie temperatury w danym przewodzie. Zwody mog^. byc wykonane z przewodow stalowych, miedziowych lub aluminiowych. W tabeli 1 zamieszczono przyrosty temperatury przewodow w wyniku przeplywu pr^du piorunowego o ksztalcie 10/350 ^s, w uzaleznieniu od rodzaju materialu i jego srednicy oraz od przyj?tego poziomu ochrony. Bior^c po uwag? fakt, ze ponad 90% wyladowan atmosferycznych ma charakter ujemny i maksymalny pr^d wyladowania nie przekracza 20 kA, przyj?to, jako podstawowy, 4 stopien ochrony. W przypadkach szczegolnych zalecana jest ochrona obostrzona lub specjalistyczna. Dla obiektow kolejowych w przewazaj^cej liczbie przypadkow powinna byc ochrona obostrzona ze wzgl?du na coraz wi?ksze nasycanie obiektow kolejowych urz^dzenia elektronicznymi.
Tabela. 1.
Przyrost temperatury przewodow wywolany przeplywem pr;]du piorunowego w
zaleznosci od srednicy i materialu
przekroj w mm2 Miedz Stal Aluminium
Przyj^ty poziom ochrony
III+IV II I III+IV II I III+IV II I
4 * * * * * * * * *
10 169 542 * * * * 564 * *
16 56 143 309 1120 * * 146 454 *
25 22 51 98 211 913 * 52 132 283
50 5 12 22 37 96 211 12 28 52
100 1 2 5 9 20 37 3 7 12
* - uszkodzenie przewodu w postaci stopienia lub eksplozji
Zrodlo: A. Sowa - „Ochrona odgromowa i przeciwprzepi?ciowa”
Jak wynika z danych w tabeli 1. zastosowanie przewodow o nieodpowiednim przekroju jako zwodow, spowoduje nadmierne podwyzszenie temperatury tego przewodu nawet w przypadku dla czwartego stopnia ochrony (dla pr^du udarowego ok. 20 kA). W krancowym przypadku zle dobrany przekroj przewodu moze doprowadzic do stopienia lub eksplozji materialu przewodu, co w sposob ewidentny przyczynic si? moze do powstania pozaru. Roztopiony metal upadaj^c na powierzchni? dachow^ pokryt^ pap^ moze spowodowac pozar takiego obiektu. Dla obiektow kolejowych przy przyj?tym stopniu ochrony obostrzonej nalezy bardzo staranie dobierac przekroje przewodow przeznaczonych, jako zwody.
Jak wynika z ryciny 1. okreslaj^cego histogram prawdopodobienstwa wyladowania, to w przypadku wyst^pien wyladowania o skrajnej amplitudzie okolo 200 kA moze wyst^pic raz
na kilkadziesi^t lat. W przypadku takiego wyladowania, dla obecnie projektowanych instalacji odgromowych skladaj^cych si? z drutow o przekroju 50 mm2, moze wyst^pic znaczne przekroczenie temperatury przewodu powyzej temperatury podanej w tabeli nr 1. Bior^c po uwag? fakt, ze wyladowania atmosferyczne wyst?puj^. w okresie wiosenno-letnim, kiedy temperatura otoczenia wacha si? w zakresie od kilkunastu do ponad 30 stopni, nalezy si? liczyc, ze temperatura przewodow instalacji odgromowej moze przekroczyc wartosc podan^ w tabeli 1. dla pierwszego stopnia ochrony. Przy wadliwie wykonanej instalacji odgromowej wyst^pi bezposrednie zagrozenie pozarowe.
Najcz?sciej w obiektach budowlanych stosowane s^. zwody poziome niskie. Do niedawna w normach byla okreslona minimalna odleglosc zwodu od dachu niepalnego lub trudno zapalnego wynosz^ca 2 cm. Obecnie obowi^zuj^ca norma zmienia ten wymog, nie okreslaj^c wymaganej odleglosci. Umozliwia to zatem bezposrednie ulozenie zwodu na powierzchni dachu lub w bardzo niewielkiej odleglosci od niego. Musi byc jednak spelniony warunek, ze przeplyw pr^du piorunowego nie spowoduje termicznego uszkodzenia pokrycia dachowego, gdyz grozi to powstaniem pozaru w obiekcie.
Jezeli projektant zdecyduje si? zastosowac zwody naturalne, to musz^ one spelniac podstawowe wymagania dotycz^ce przekroju poprzecznego podane w tabeli 2.
Tabela. 2.
Minimalne wymiary stosowane do odprowadzenia prqdu piorunowego
Rodzaj wyrobu Material [mm]
miedz stal ocynkowana aluminium
Linka 7x3 7x2,5 -
Drut 6 6 10
Tasma 20x3 20x3 20x4
bez wyszczegolnienia 35 mm2 * 16 mm2 ** 50 mm2 70 mm2 * 16 mm2 **
*, ** - przekroje dotycz^ce odpowiednio zwodow i przewodow odprowadzaj^cych.
Zrodlo: PN-EN 62305-1 - Ochrona odgromowa -- Cz?sc 1: Zasady ogolne
Parametry podane w ostatnim wierszu tabeli zawarte s^. w normie [5]. Minimalne przekroje podane w tabeli, ktore odnosz^ si? do drutow stosowanych na zwody, odnosz^ si? tylko do III i IV stopnia ochrony, czyli obejmuj^ rowniez ochron? obostrzon^.
Poziom ochrony jest scisle zwi^zany z wymiarami oka siatki zwodu. W tabeli 3. pokazano zalecenia zawarte w normie [6], ktore dotycz^. wymiarow oka siatki zwodow w zaleznosci od stopnia ochrony odgromowej. W przypadku obiektow kolejowych takich jak
nastawnie oraz dworce kolejowe, w ktorych znajduj^ si? urz^dzenia elektryczne i elektroniczne powinien byc wymagany III stopien ochrony.
Tabela. 3.
Wymiary oka siatki w zaleznosci od stopnia ochrony odgromowej
Charakterystyka obiektu Poziom ochrony Oko siatki Efektywnosc ochrony
Obiekty z ochrony podstawow^ IV 20x20 80 %
Obiekty z ochrony obostrzon^ III 15x15 90 %
Obiekty z ochrony specjalistyczn^ II 10x10 95 %
Brak odpowiednika I 5x5 98 %
Zrodlo: PN-EN 62305-3 - Ochrona odgromowa -- Cz?sc 3: Uszkodzenia fizyczne obiektow i zagrozenia zycia
Latwy, szybki oraz niezawodny montaz przewodow stanowi^cych zwody oraz przewody odprowadzaj^ce umozliwiaj^. zastosowanie odpowiednich wspornikow. Takie rozwi^zanie oferuje wiele firm na rynku polskim. Producenci opracowali dedykowane rozwi^zania na rozne typy dachow. Innego rodzaju wsporniki wykorzystywane s^. na dachy plaskie a innego rodzaju wsporniki montuje si? na dachach spadzistych.
W przypadku dachow wykonanych z materialow latwo zapalnych istnieje niebezpieczenstwo wyst^pienia pozaru w wyniku przeplywu pr^du piorunowego na skutek:
• erozji termicznej metalu w miejscu jego bezposredniego kontaktu z kanalem piorunowym (miejsce wplywania pr^du piorunowego);
• nagrzewania si? przewodow pod wplywem przeplywaj^cego przez nie pr^du piorunowego;
• zaplonu materialow palnych w bezposrednim s^siedztwie kanalu piorunowego lub przeskoku iskrowego.
Charakterystyka wyladowania atmosferycznego oraz charakter obiektu okreslaj^. stopien zagrozenia pozarowego. Dlugotrwaly przeplyw pr^du udarowego jest szczegolnie niebezpieczny. Mozliwosc nagrzewania si? metalu (przewody, blacha) jest szczegolnie niebezpieczna, jesli w bliskim s^siedztwie znajduj^ si? materialy palne. Ochron? przed tego typu zagrozeniem stanowi zastosowanie na obiektach zwodow poziomych podwyzszonych. Przykladowe rozwi^zanie instalacji piorunochronnej na dachu krytym materialem latwo palnym przedstawia rycinie 4.
Ryc. 4. Zwody na dachu krytym z materialem latwo palnym
Zrodlo: A. Sowa - „Ochrona odgromowa i przeciwprzepi?ciowa”
Zwody podwyzszone stosowane s^. na dachach pokrytych:
• materialami latwo zapalnymi;
• blachami metalowymi, jesli ich grubosc nie spelnia zalecanych wymagan (grubosc minimalna 0,5 mm dla blachy stalowej i cynkowej oraz 1 mm dla blach aluminiowych).
W przypadku dachow z gontow lub drewnianych istnieje mozliwosc ukladania zwodow bezposrednio na dachach z zastrzezeniem, ze zostanie zachowana odleglosc 2 cm od powierzchni dachu. W przypadku, gdy odleglosc ta jest mniejsza w momencie przeplywu pr^du udarowego w wyniku zjawisk termicznych moze wtedy dojsc do pozaru.
Takie elementy jak klimatyzacja, urz^dzenia pomiarowe b^dz inne elementy mechaniczne czy elektryczne zainstalowane na dachu nie powinny byc l^czone ze zwodami na dachu obiektu, poniewaz mog^. zostac uszkodzone przez przeplywaj^cy pr^d piorunowy.
Przewody odprowadzajqce
Jak wspomniano uprzednio w celu odprowadzenia pr^du piorunowego mozna wykorzystac przewody odprowadzaj^ce naturalne b?d^ce elementami konstrukcyjnymi obiektow budowlanych lub przewody odprowadzaj^ce sztuczne, ktorych zadaniem jest odprowadzenie pr^du piorunowego.
Przewody odprowadzaj^ce powinny byc ukladane tak, aby zapewniona byla najkrotsza i wieloprzewodowa droga dla przeplywu pr^du piorunowego od punktu udaru do ziemi. Przewody powinny byc ulozone w odpowiedniej odleglosci od sciany oraz zainstalowane wzdluz prostych i pionowych tras, co pokazuje rysunek 5.
Ryc. 5. Prowadzenie przewodow odprowadzaj^cych
Zrodlo: A. Sowa - „Ochrona odgromowa i przeciwprzepi^ciowa”
Odleglosc od sciany jest rowniez uzalezniona od rodzaju materialu, z jakiego jest wykonana sciana. Niewlasciwy dobor odleglosci od sciany obiektu moze spowodowac pozar. Wartosci zalecanych odleglosci podano w tabeli 4.
Tabela. 4.
Odleglosci przewodow odprowadzajqcych od scian obiektow budowlanych
Sciana Minimalna odleglosc od sciany budynku
Material niepalny lub trudno zapalny Ulozenie bezposrednio na powierzchni sciany*
Material latwo zapalny Ulozenie bezposrednio na powierzchni sciany 10 cm**
* - przyrost temperatury przewodu przy przeplywie pr^du piorunowego nie grozny dla sciany obiektu,
** - przyrost temperatury mog^cy spowodowac uszkodzenie powloki sciany.
Zrodlo: PN-IEC 60364-1 - Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych -- Zakres, przedmiot i wymagania podstawowe
Przy montazu przewodow odprowadzaj^cych na wspornikach wskazane jest zachowanie pomi^dzy nimi odleglosci nie przekraczaj^cej 1,5 m. Przyklady roznorodnych rozwi^zan wspornikow przedstawiono na rys. 6.
Ryc. 6. Ukladanie przewodow odprowadzaj^cych na scianie budynku zgodnie z zaleceniami
Zrodlo: PN-IEC 60364-1 - Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych -- Zakres, przedmiot i wymagania podstawowe
W trakcie ukladania przewodu odprowadzaj^cego nalezy zachowac odleglosc nie mniejsz^ niz 2 m pomi?dzy przewodem odprowadzaj^cym a:
• wej sciem do budynku ze wzgl?du na bezpieczenstwo ludzi;
• ogrodzeniami metalowymi przylegaj^cymi do drog publicznych;
• przej sciami dla pieszych.
Liczba przewodow odprowadzaj^cych jest scisle okreslona i uzyskuje si? j^ dziel^c dlugosc obwodu obiektu wyrazon^. w metrach przez dlugosc oka siatki zwodu. Zalecana minimalna liczba przewodow odprowadzaj^cych wynosi 2. Ilosc przewodow odprowadzaj^cych na obiektach o obwodzie przekraczaj^cym 30 m i zagrozonych wybuchem nie moze byc mniejsza niz 4. Taka konstrukcja zewn?trznej instalacji odgromowej zapewni wielodrogowosc rozplywu pr^du udarowego. Tym samym spowoduje zmniejszenie wartosci nat?zenia pola impulsowego pola elektromagnetycznego, ktore moze negatywnie oddzialywac na urz^dzenia wewn^trz budynku. To oddzialywanie powstaje w wyniku istnienia sprz?zenia magnetycznego mi?dzy obwodem instalacji odgromowej a instalacjami wewn^trz budynku. Przy zbyt duzym sprz?zeniu tych obwodow ze sob^ i duzej wartosci pr^du piorunowego moze pojawic si? w obwodzie elektrycznym przepi?cie o amplitudzie uszkadzaj^cej urz^dzenie. W takim przypadku wyst?puje rowniez duze zagrozenie pozarowe. Maksymalne odleglosci pomi?dzy przewodami odprowadzaj^cymi zestawiono w tabeli 5 i s^ one konsekwenj przyj?tego stopnia ochrony obiektu. Dla obiektow kolejowych zastosowany b?dzie to II poziom ochrony, zatem przewody odprowadzaj3.ce powinny byc oddalone od siebie o 15 m.
Tabela. 5.
Odleglosci przyjmowane pomigdzy przewodami odprowadzajqcymi
Poziom ochrony Srednia odleglosc
I 10m
II 10m
III 15m
IV 20m
Zrodlo: PN-EN 62305-3 - Ochrona odgromowa -- Cz?sc 3: Uszkodzenia fizyczne obiektow i zagrozenia zycia
Przewody uziemiajqce
Przewody uziemiaj^ce wykorzystywane s^ do pol^czenia przewodow odprowadzaj^cych z uziomem. W tabeli 6 przedstawiono minimalne wymiary dla przewodow w zaleznosci od rodzaju uzytego materialu.
Tabela. 6.
Minimalne wymiary przewodow uziemiajqcych
Rodzaj materialu Materialy
miedz [mm] stal ocynkowana [mm]
Drut 6 6
Tasma 20x3 20x3
Zrodlo: A. Sowa - „Ochrona odgromowa i przeciwprzepi?ciowa”
Projektuj^c prowadzenie przewodow odprowadzaj^cych wzdluz sciany budynku nalezy uwzgl?dnic koniecznosc wykonywania przegl^dow technicznych. Zaciski probiercze powinny byc umieszczone w miejscach latwo dost?pnych. Zaciski powinny znajdowac si? nie nizej niz 0,3 m oraz nie wyzej niz 1,8 m od powierzchni otoczenia. Cz?sc przewodow uziemiaj^cych znajduj^ca si? powyzej ziemi powinna byc dodatkowo zabezpieczona przed uszkodzeniami mechanicznymi. Wykonuje si? to nast?puj^co:
• montuj^c oslon? do wysokosci 1,5 m oraz na gl?bokosc 0,2 m;
• montuj^c przewody uziemiaj^ce o srednicy wi?kszej w porownaniu z wartosciami podanymi w tabeli nr 6.
Charakterystyka oraz rodzaje uziomow
Uziomem nazywa si? celowo wykonane pol^czenie odpowiednich cz?sci urz^dzenia lub instalacji elektrycznej z przedmiotem metalowym znajduj^cym si? w ziemi. Zadaniem uziomu urz^dzenia piorunochronnego jest zapewnienie nisko impedancyjnej drogi przeplywu pr^dow piorunowych do ziemi. Z punktu widzenia ochrony odgromowej uziom powinien byc wspolny dla wszystkich instalacji i urz^dzen znajduj^cych si? w danym obiekcie, a tym samym powinien spelniac wymagania stawiane uziomom roboczym urz^dzen elektrycznych i elektronicznych, zapewniaj^c nie tylko wlasciw^ ochron? odgromowa, ale rowniez przeciwprzepi?ciow3 i przeciwporazeniow^..
Do budowy zewn?trznej ochrony odgromowej mozna wykorzystac kilka rodzajow uziomow. Najcz?sciej stosowanym uziomem jest uziom otokowy, ktory musi spelniac nast?puj^ce wymagania.:
• minimalna gl?bokosc, na j ak^ mozna zakopac uziom wynosi 0,6 m;
• minimalna odleglosc uziomu otokowego od obiektu wynosi 1 m;
• odleglosc uziomu otokowego nie powinna byc mniejsza niz 1 m od kabli energetycznych;
• jezeli rezystancja uziemienia otokowego jest mniejsza niz 10 Q mozliwe jest zmniejszenie odleglosci od kabla energetycznego;
• jezeli zostan^ zastosowane uziomy wykonane ze stalowych drutow lub tasm i b?d^ posiadaly o 30 % wi?ksz^ srednic? mozna je ulozyc bezposrednio na dnie wykopow fundamentowych tuz pod fundamentem lub obok niego;
• w sytuacji, gdy nie jest mozliwe wykonanie uziomu otokowego w calosci, zaleca si? wtedy pol^czenie go z uziomem pionowym nie mniejszym niz 2,5 m, w miejscu jego przerwania;
• uziom wykonany z przewodow uziemiaj^cych miedzianych, stalowych pokrytych miedzi^ jest bardziej trwaly i niezawodny w dzialaniu;
• iskiernik powinien byc wykorzystywany do pol^czen uziomu otokowego z uziomem wydzielonym;
• postronne urz^dzenia technologiczne oraz podziemne metalowe elementy zakopane w ziemi powinny byc umieszczone w odleglosci nie mniejszej niz 2 m od uziomu otokowego i nalezy l^czyc je z uziomem bezposrednio lub za pomoc^ iskiernikow.
Zewn?trzna instalacja odgromowa moze rowniez skladac si? z kombinacji uziomow poziomych i pionowych. Tego typu uziomy powinny spelniac nast?puj^ce wymagania:
• minimalna gl?bokosc umieszczenia gornej cz?sci uziomu w ziemi powinna byc nie mniejsza niz 0,5 m, natomiast dolna cz?sc uziomu powinna znajdowac si? na gl?bokosci 4 m;
• odleglosc uziomu pionowego od kraw?dzi budynku powinna wynosic nie mniej niz
1 m;
• w przypadku niespelnienia przez uziom wymaganej rezystancji nalezy pol^czyc ze sob^ kilka uziomow tworz^c uklad uziomow zapewniaj^c wymagan^ rezystancj?. Wowczas w celu minimalizacji wzajemnego oddzialywania poszczegolnych uziomow na siebie zaleca si? umieszczenie ich w odleglosci ok. 1,5 krotnej dlugosci uziomu pionowego;
• minimalna odleglosc, w jakiej moze znajdowac si? uziom od przejsc dla pieszych, wejsc do budynku lub metalowych ogrodzen, powinna wynosic 1,5 m.
Procentowy podzial wyptat odszkodowan
35,0%
30,0%
25,0%
20,0%
15,0%
10,0%
5,0%
0,0%
.
1—1
■ , n , U , =
one? £
Rys. 7. Procentowy podzial nakladow finansowych ponoszonych na pokrycie powstalych
strat sprz?tu elektronicznego
Zrodlo: A. Sowa - „Ochrona odgromowa i przeciwprzepi?ciowa”
Pomimo powszechnosci stosowani instalacji odgromowej oraz przepisow normalizacyjnych, ktore w sposob precyzyjny zalecaj^ jej budow? i montaz notowane s^. przypadki wyst^pienia szkod spowodowanych wyladowania atmosferycznymi. Dotycz^ one przede wszystkich szkod powstalych w wyniku uszkodzen w urz^dzeniach elektronicznych. Jak widac z rysunku 7. okolo 5% uszkodzen urz^dzen elektronicznych powstalo na skutek
wyst^pienia pozaru w obiekcie. Nalezy jednak liczyc si? z tym, ze faktyczna liczba
powstalych szkod moze byc spowodowana przepi?ciami w wyniku wyladowan
atmosferycznych
Podsumowanie
Nalezy pami?tac o tym, ze maksymalny poziom zabezpieczenia obiektu przez wyladowaniami atmosferycznymi wynosi 98%. Nalezy wowczas stosowac dodatkowe rozwi^zania konstrukcyjne, ktore powinny wykorzystywac techniki pozwalaj^ce na unikni?cie pozaru obiektu przy wyst^pieniu nieszcz?sliwego zbiegu okolicznosci
wynikaj^cego z 2% marginesu ryzyka. Zewn?trzna ochrona odgromowa jest wymaganym elementem ochrony obiektu przed wyladowaniami atmosferycznymi oraz stanowi element systemu zabezpieczen obiektu przed pozarem zgodnie z zaleceniami norm [5], [6].
Do dodatkowych rozwi^zan konstrukcyjnych nalezy zaliczyc ochron? przeciwprzepi?ciow^. nazywan^. cz?sto w literaturze wewn?trzn^. ochrony odgromowa Prawidlowo zaprojektowana ochrona przeciwprzepi?ciowa stwarza mozliwosc unikni?cia niszcz^cych skutkow wyladowan atmosferycznych. Jest to szczegolnie wazne, poniewaz w ostatnich latach obserwuje si? wzrost gwaltownosci zjawisk atmosferycznych, o czym
coraz cz?sciej informuj^ media np. informacje przekazywane na biez^co w wiadomosciach telewizyjnych.
Wykonanie instalacji piorunochronnej wymaga duzo mniejszych nakladow finansowych niz pokrycie ewentualnych kosztow naprawiania szkod wywolanych bezposrednim uderzeniem piorunu. Straty mog^. byc rozne: pocz^wszy od uszkodzenia calych fragmentow instalacji i urz^dzen elektronicznych (np. alarmowych), na pozarze skonczywszy. Szczegolnie zagrozone s^. wszelkie obiekty zabytkowe, ktore s^. bardzo cz?sto wykonane w technologii ceglano - drewnianej. Do tych obiektow mozemy zaliczyc np. zabytkowe dworce.
Literatura
1. Atlas klimatupolski, red. prof. dr hab. Halina Lorenc, IMiGW 2005;
2. Sowa A., Ochrona odgromowa iprzeciwprzepi^ciowa, KONTEKST 1997;
3. Charoy A., Zaktdcenia w urzqdzeniach elektronicznych. Zasady iporady instalacyjne, T. 4, WNT, Warszawa 2000;
4. Bialon A., Dluzniewski A., Laskowski M., Kompleksowe zabezpieczenie stacjonarnych obiektow kolejowych przed zaburzeniami elektromagnetycznymi o duzej energii, Materialy konferencyjne, Semtrak 2008;
5. PN-IEC 60364-7-707:1999 - Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych -Wymagania dotycz^ce specjalnych instalacji lub lokalizacji - Wymagania dotycz^ce uziemien instalacji urz^dzen przetwarzania danych;
6. PN-HD 60364-1:2010 - Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych - Zakres, przedmiot i wymagania podstawowe;
7. PN-EN 62305-1:2008 - Ochrona odgromowa - Cz?sc 1: Zasady ogolne;
8. PN-EN 62305-3:2009 - Ochrona odgromowa - Cz?sc 3: Uszkodzenia fizyczne obiektow i zagrozenia zycia.
