O piorunach i skutkach uderzeń.

• Informacje ogólne.
• Ochrona odgromowa domów jednorodzinnych i małych obiektów.
• Ochrona odgromowa obiektów przemysłowych.

Doświadczeniem z latawcem, kluczem i butelką lejdejską, B. Franklin udowodnił, że piorun ma naturę elektryczną. 250 lat temu nie było to tak oczywiste jak dziś. Skoro tak, to szybko zaczęto konstruować tzw. konduktory (przewodniki) rozmieszczone na dachu, wykonane z dobrze przewodzących materiałów, próbujące przejąć prąd wyładowania. W tej zasadzie ochrony do dziś nic się nie zmieniło.

Jak powstaje wyładowanie.

Chmura burzowa, cumulonimbus, jest wewnętrznie spolaryzowana tzn. ładunki ujemne gromadzą się na dole chmury, dodatnie u góry. Wytworzone pod chmurą pole elektryczne, gromadzi na ziemi ładunki dodatnie. Między chmurą, a ziemią wytwarza się ogromne napięcie rzędu setek milionów woltów. Kiedy natężenie pola elektrycznego przekroczy wartości krytyczne, z chmury zostanie wyrwana grupa elektronów (streamer od górny) pędzących z krótkimi przystankami do ziemi. Grupa ta nie porusza się po linii prostej lecz raczej po linii łamanej, mając jednocześnie tendencje do rozdzielania się. Późniejszy obraz wielu odnóg błyskawicy to odwzorowanie tej drogi elektronów. Po ich zbliżeniu się do ziemi, napięcie pola elektrycznego staje się tak wielkie, że wyrywa z ziemi, budynków, drzew itp. grupy ładunków dodatnich (streamerów od dolnych). Ten streamer od dolny, który pierwszy napotka główkę streamera od górnego, otworzy kanał wyładowczy. Nastąpi rozładowanie ładunku chmury. Płynący prąd rozgrzeje powietrze, co objawi się jako oślepiający błysk, a gwałtowne rozprężenie nagrzanego do temperatury 25 000 ^oC kanału wyładowczego wytworzy ogłuszający huk.

Skutki wyładowania atmosferycznego.

Energia kinetyczna wyładowania.

Pędząca z szybkością ok. 2 mln m/s grupa elektronów powinna nieść ze sobą energię kinetyczną. Zakładając, że wyładowanie o charakterze pierwszego udaru ma ładunek na poziomie 100 C, to masa takiego zgrupowania wyniesie ok. 0,5 milionowej części grama. Z tego można znów oszacować, że energia kinetyczna pędzącej grupy elektronów wyniesie ok. 1,1 tys. J - czyli jest trzy razy mniejsza od energii pędzącej kuli karabinowej. Czy może taki strzał uszkodzić komin? Z pewnością tak!

Oddziaływanie termiczne - skutek prądowy.

Płynący podczas wyładowania prąd może osiągnąć szczytowe wartości sięgające 200 000 A - dla porównania przypominamy, że metale spawamy prądem ok. 200 A. Oczywiście czasy działania są tu znacząco różne - przy spawaniu możemy mówić o prądzie ciągłym, przy wyładowaniu zjawisko trwa kilkaset - kilka tysięcy mikrosekund. Niemniej, ogromna wartość prądu wyładowania rodzi znaczne skutki termiczne objawiające się wytopieniem dziur w pokryciu blaszanym, uszkodzeniami obudów urządzeń zabudowanych na dachu takich jak klimatyzatory i wentylatory. Przepływający do ziemi, przez metalowe części, prąd piorunowy wywołuje efekt cieplny - rozgrzewa, a wzrost temperatury zależy od rezystancji elementu, czyli od jego przekroju. I tak prąd o wartości szczytowej 200 000 A rozgrzeje stalowy drut:

• o przekroju 50 mm² - o 211 ^oC,
• o przekroju 25 mm² - wzrost temperatury stopi drut!!!

Przeskoki iskrowe - skutek napięciowy.

Jeśli obiekt nie posiada poprawnie wykonanej instalacji odgromowej istnieje niebezpieczeństwo nie kontrolowanego spływu prądu piorunowego do ziemi. Przy wyładowaniu w przewodzącą część dachu napięcie pomiędzy tym elementem, a ziemią może osiągać wartości liczone w MV. Dla tak wielkiego napięcia przerwy izolacyjne pomiędzy arkuszami blach pokrycia, czy pomiędzy metalowymi okuciami murków, a przewodami instalacji elektrycznej na poddaszu są znikome. W efekcie możemy się spodziewać wielokrotnej perforacji blach pokrycia, czy wniknięcia pioruna do wnętrza obiektu i zniszczenia instalacji, lub w najgorszym scenariuszu - porażenia osób wewnątrz budynku.

Efekty pochodne. Sprzężenie na skutek działania pola elektrycznego.

Jeśli w budynek uderzy piorun, to bez względu na to, czy jest on wyposażony w instalację odgromową czy nie, pomiędzy punktem wyładowania, a ziemią powstanie napięcie. Załóżmy, że to napięcie jest równe 1 MV, a punkt uderzenia 10 m nad ziemią. Wtedy w przestrzeni pomiędzy nimi wytworzy się pole elektryczne o wartości 1 kV/cm. Dwa przewodzące kable ułożone wewnątrz budynku tworzą okładki kondensatora o pojemności C. Jak wiadomo z teorii, jeśli kondensator umieścimy w polu elektrycznym, to na zaciskach kondensatora wytworzy się napięcie zależne od iloczynu pola E i odległości pomiędzy okładzinami d. W analizowanym przypadku, przy założeniu odległości d = 10 cm, otrzymamy na kondensatorze napięcie 10 kV. Jeśli oba kable obsługują jedno urządzenie, możliwym jest, że taki kondensator rozładuje się wewnątrz urządzenia niszcząc je.

Efekty pochodne. Sprzężenie na skutek działania pola magnetycznego.

Sprzężenie elektromagnetyczne pomiędzy dwoma uzwojeniami odgrywa bardzo pożyteczną rolę w elektrotechnice i jest podstawą działania min. transformatorów i silników elektrycznych. W naszym przypadku własność ta jest jedną z najbardziej groźnych przyczyn uszkodzeń sprzętu elektronicznego i ma działanie "dalekosiężne", gdyż przyjmuje się na podstawie wieloletnich doświadczeń, że każde urządzenie elektroniczne w promieniu 1500 m od miejsca wyładowania jest zagrożone.

Prąd płynący w przewodzie instalacji odgromowej (w kanale wyładowczym) wytwarza pole magnetyczne H, a pole to generuje kolejno w każdej przewodzącej pętli napięcie o wartościach znacznie przekraczających wytrzymałość urządzeń. Jak potężne są to napięcia możemy się przekonać na następującym przykładzie:

• w domku jednorodzinnym utworzyła się pętla z przewodów o wymiarach 10 x 10 m ulokowana w odległości 1 m od jedynego przewodu odprowadzającego,
• na otwartych zaciskach takiej pętli wytworzy się napięcie o wartości szczytowej 0,5 MV!!!.

Dla bardziej wnikliwych internautów polecamy rozważania na temat konkretnego przypadku zagrożenia radiomodemów.

Efekty pochodne. Sprzężenie na skutek połączeń galwanicznych.

Sprzężenia galwaniczne powstają wtedy, kiedy w budynek z instalacją odgromową uderza piorun. Prąd pioruna płynie do ziemi poprzez rezystancję uziemienia. Jeśli będziemy mieli do czynienia z prądem o wartości szczytowej 100 kA i rezystancji uziemienia 10 om, to zgodnie z prawem Ohma potencjał uziomu i przewodzących części budynku (instalacji elektrycznej, rur wody) znajdzie się na poziomie 1 MV w stosunku do tzw. "ziemi odniesienia". Każde połączenie przewodzącym elektrycznie elementem (np. linia telefoniczna, przewód zasilający żarówkę) do sąsiedniego budynku wniesie ten potencjał do jego wnętrza.

Problem sprzężeń galwanicznych nabiera szczególnej wagi w obiektach przemysłowych rozlokowanych na dużej powierzchni takich jak: oczyszczalnie ścieków czy bazy i magazyny paliwowe.

Jak widać na podanych powyżej przykładach, ochrona odgromowa budynków i wyposażenia elektrycznego i elektronicznego wymaga znacznego nakładu pracy i sporej wiedzy przy wykonywaniu analiz wpływu poszczególnych zagrożeń. Staraliśmy się opisywać zjawiska te w sposób możliwie prosty i zrozumiały. Proszę wierzyć, że w przypadkach rozbudowanych obiektów przemysłowych, nasyconych układami elektronicznymi, analizy te komplikują się znacznie.

Czy warto zatem ochronę swojego mienia powierzyć komuś, kto nie jest fachowcem w dziedzinie ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej?

Czy sąsiad "złota rączka" napewno będzie zdawał sobie sprawę z istnienia sprzężeń galwanicznych??

Czy dekarz jest właściwą osobą do montażu instalacji odgromowych???

My jesteśmy do Państwa dyspozycji.